Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Neuartiger Käfig für Licht

03.11.2004


Hallenser Max-Planck-Wissenschaftlern erzeugen "Photonenkäfige" in hochsymmetrischen dreidimensionalen Strukturen aus Silizium


Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen von dreidimensional strukturiertem Silizium. a) Bruchkante mit 3 Poren und 3 Modulationen. b) Eine einzelne geätzte Modulation. c) Durch schrittweises Erodieren wandelt sich die säulenartige Struktur um in ein einfaches kubisches Netzwerk aus Luftkugeln in Silizium. d) Aus der Vogelperspektive: Zu erkennen sind das lithographisch definierte Gitter (obere Bildhälfte) und das geätzte Gitter (untere Bildhälfte).

Bild: Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik



Die präzise Selbstanordnung von Materie in Materialstrukturen, die über abstimmbare Eigenschaften verfügen und in der Natur nicht vorkommen, ist ein wichtiges Ziel der Nanotechnologie. Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Mikrostrukturphysik in Halle/Saale ist es jetzt gelungen, ein solches Metamaterial herzustellen, einen so genannten "Photonenkäfig". Dazu haben die Forscher die Präzision lithographischer Methoden mit einem dreidimensionalen, sich selbst stabilisierenden Ätzprozess kombiniert und in Silizium hochperiodische kubische Strukturen - Milliarden identischer Poren pro Kubikzentimeter -hergestellt (Advanced Materials, Online-Vorabveröffentlichung, 26. Oktober 2004). Das ist speziell für optische Schaltkreise, die großen Hoffnungsträger für künftige Computer und Telekommunikationsgeräte, von Bedeutung. Denn wo heute Elektronen in Silizium-Halbleiter komplizierte Rechenvorgänge erledigen, sollen dann Photonen die Arbeit übernehmen.



Periodische und hochsymmetrische Gebilde, die nur einige Mikrometer groß sind und mit einer Präzision auf Nanometerebene hergestellt werden, beeindrucken nicht nur durch ihre ungewöhnliche Form und Schönheit, sie zeigen auch eine Vielzahl neuartiger Effekte, wie die gezielte Manipulation von Licht in so genannten Photonischen Kristallen, die Anwendung als Vorlage für Nanostrukturen oder als Grundbaustein von Metamaterialien. Aufgrund dieses Potentials unternimmt man weltweit große Anstrengungen, derartige Strukturen künstlich herzustellen. Den enormen Anforderungen an Präzision und Variabilität der strukturellen Netzwerke versuchte man bislang auf zwei unterschiedlichen Wegen zu begegnen: Zum einen durch sehr aufwändige und langwierige Methoden, die auf vielen Lithographie- und Ätzschritten beruhen, jedoch auch sehr akkurate Ergebnisse liefern. Zum anderen durch eine einfach anmutende Methode - das Eintrocknen von in Lösung befindlichen nanometerkleinen Glaskügelchen und das anschließende Auffüllen der dazwischen verbleibenden Hohlräume mit Silizium.

Die Forscher am Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik in Halle haben nun ein neues Verfahren demonstriert, dass die Präzision lithographischer Methoden mit der Einfachheit sich selbst organisierender Prozesse kombiniert. Dazu wurde ein zweidimensionales Gitter lithographisch auf die Oberfläche einer Siliziumscheibe aufgebracht. Mittels eines Standardprozesses stellten die Forscher dann winzige Vertiefungen her, die als Ausgangspunkt für die Poren dienen. Danach wurde die Siliziumscheibe auf der einen Seite mit einer Flusssäure-Lösung in Kontakt gebracht und eine anodische Spannung angelegt. Beleuchtet man nun die andere Seite des Wafers, so erzeugt man je nach Intensität des Lichts unterschiedlich viele Elektron-Loch-Paare in dem Halbleiter. Die Elektronen werden aufgrund des anliegenden Potentials an der Rückseite konsumiert. Hingegen diffundieren die "elektronischen Löcher" zur Grenzfläche zwischen Silizium und Flusssäure. Aufgrund der anliegenden Spannung bildet sich eine Raumladungszone aus, die wie ein Linse auf die Defektelektronen wirkt und diese hauptsächlich auf die Porenspitzen fokussiert, wo sie das Silizium oxidieren.

Das gebildete Siliziumdioxid wird durch die Flusssäure sofort aufgelöst und die Poren wachsen in die Tiefe. Den Durchmesser der Poren kann man über die Intensität der Beleuchtung steuern. Um stellenweise besonders weite Poren zu erhalten, muss man die Variation der Beleuchtungsintensität mit einer speziellen Variation der angelegten elektrischen Spannung kombinieren. Erst die Kombination beider Ätzmethoden ermöglicht eine hohe Perfektion und die Herstellung von Milliarden identischer Poren auf einem Quadratzentimeter (vgl. Abb. 1a). In einem weiteren Schritt werden der Durchmesser der geätzten Poren dann schrittweise vergrößert und schließlich Netzwerke kubisch angeordneter, miteinander überlappender Luftkugeln in Silizium erzeugt.

Die Forscher haben die optischen Eigenschaften entlang verschiedener Richtungen dieses Photonischen Kristalls untersucht. Ihre Ergebnisse deuten darauf hin, dass mit diesem Verfahren tatsächlich "Käfige" für Photonen hergestellt werden können. Denn Photonen, also Lichtteilchen, bewegen sich mit 300.000 Kilometer pro Sekunde im Vakuum. Beim Übergang in ein anderes Medium werden sie abgebremst und ihre Geschwindigkeit reduziert sich um den Brechungsindex. Passiert das Licht eine Folge von Schichten zweier Materialien A und B (ABABAB…), werden die Lichtteilchen periodisch beschleunigt oder abgebremst. Ist die Länge einer Doppelschicht (AB) vergleichbar mit der Lichtwellenlänge, so modifiziert dies die Lichtausbreitung, so dass Lichtteilchen bestimmter Energie an der Schicht reflektiert werden. In drei Dimensionen führt dieses Verhalten dazu, das ein Photon, egal in welche Richtung es sich bewegt, überall reflektiert wird und letztlich eingesperrt ist.

Originalveröffentlichung:

Sven Matthias, Dr. Frank Müller, Dr. Cécile Jamois, Prof. Dr. Ralf B. Wehrspohn & Prof. Dr. Ulrich Gösele, "Large-area three-dimensional structuring by electrochemical etching and lithography", Adv. Mater. 2004, Early View, DOI 10.1002/adma.200400436, 26. Oktober 2004

Weitere Informationen erhalten Sie von:

Sven Matthias
Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik, Halle/Saale
Tel.: 0345 5582-901
Fax: 0345 5511223
E-Mail: matthias@mpi-halle.mpg.de

Sven Matthias | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpi-halle.mpg.de

Weitere Berichte zu: Lichtteilchen Photon Präzision Silizium

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Kleinste Teilchen aus fernen Galaxien!
22.09.2017 | Bergische Universität Wuppertal

nachricht Tanzende Elektronen verlieren das Rennen
22.09.2017 | Universität Bielefeld

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: The pyrenoid is a carbon-fixing liquid droplet

Plants and algae use the enzyme Rubisco to fix carbon dioxide, removing it from the atmosphere and converting it into biomass. Algae have figured out a way to increase the efficiency of carbon fixation. They gather most of their Rubisco into a ball-shaped microcompartment called the pyrenoid, which they flood with a high local concentration of carbon dioxide. A team of scientists at Princeton University, the Carnegie Institution for Science, Stanford University and the Max Plank Institute of Biochemistry have unravelled the mysteries of how the pyrenoid is assembled. These insights can help to engineer crops that remove more carbon dioxide from the atmosphere while producing more food.

A warming planet

Im Focus: Hochpräzise Verschaltung in der Hirnrinde

Es ist noch immer weitgehend unbekannt, wie die komplexen neuronalen Netzwerke im Gehirn aufgebaut sind. Insbesondere in der Hirnrinde der Säugetiere, wo Sehen, Denken und Orientierung berechnet werden, sind die Regeln, nach denen die Nervenzellen miteinander verschaltet sind, nur unzureichend erforscht. Wissenschaftler um Moritz Helmstaedter vom Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt am Main und Helene Schmidt vom Bernstein-Zentrum der Humboldt-Universität in Berlin haben nun in dem Teil der Großhirnrinde, der für die räumliche Orientierung zuständig ist, ein überraschend präzises Verschaltungsmuster der Nervenzellen entdeckt.

Wie die Forscher in Nature berichten (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005), haben die...

Im Focus: Highly precise wiring in the Cerebral Cortex

Our brains house extremely complex neuronal circuits, whose detailed structures are still largely unknown. This is especially true for the so-called cerebral cortex of mammals, where among other things vision, thoughts or spatial orientation are being computed. Here the rules by which nerve cells are connected to each other are only partly understood. A team of scientists around Moritz Helmstaedter at the Frankfiurt Max Planck Institute for Brain Research and Helene Schmidt (Humboldt University in Berlin) have now discovered a surprisingly precise nerve cell connectivity pattern in the part of the cerebral cortex that is responsible for orienting the individual animal or human in space.

The researchers report online in Nature (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005) that synapses in...

Im Focus: Tiny lasers from a gallery of whispers

New technique promises tunable laser devices

Whispering gallery mode (WGM) resonators are used to make tiny micro-lasers, sensors, switches, routers and other devices. These tiny structures rely on a...

Im Focus: Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas

Graphen besitzt extreme Eigenschaften und ist vielseitig verwendbar. Mit einem Trick lassen sich sogar die Spins im Graphen kontrollieren. Dies gelang einem HZB-Team schon vor einiger Zeit: Die Physiker haben dafür eine Lage Graphen auf einem Nickelsubstrat aufgebracht und Goldatome dazwischen eingeschleust. Im Fachblatt 2D Materials zeigen sie nun, warum dies sich derartig stark auf die Spins auswirkt. Graphen kommt so auch als Material für künftige Informationstechnologien infrage, die auf der Verarbeitung von Spins als Informationseinheiten basieren.

Graphen ist wohl die exotischste Form von Kohlenstoff: Alle Atome sind untereinander nur in der Ebene verbunden und bilden ein Netz mit sechseckigen Maschen,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

11. BusinessForum21-Kongress „Aktives Schadenmanagement"

22.09.2017 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz zum Biomining ab Sonntag in Freiberg

22.09.2017 | Veranstaltungen

Die Erde und ihre Bestandteile im Fokus

21.09.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

11. BusinessForum21-Kongress „Aktives Schadenmanagement"

22.09.2017 | Veranstaltungsnachrichten

DFG bewilligt drei neue Forschergruppen und eine neue Klinische Forschergruppe

22.09.2017 | Förderungen Preise

Lebendiges Gewebe aus dem Drucker

22.09.2017 | Biowissenschaften Chemie