Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Lichtspiele auf dem Mikrochip

19.11.2007
Wissenschaftler bringen Silizium zum Leuchten, indem sie Quanteneffekte nutzen

Die Hersteller von Computerchips lieben Silizium - doch inzwischen platzt es aus allen Nähten. Die Nachfrage nach immer höherer Rechenkapazität ist enorm. Kleiner und schneller würden Prozessoren aus Silizium etwa, wenn sie mit Licht rechnen könnten. Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik haben nun gleich zwei verschiedene Siliziumdioden zum Leuchten gebracht. Ein Autor der MaxPlanckForschung hat die zwei Verfahren unter die Lupe genommen. In der neusten Ausgabe des Magazins berichtet er, warum Siliziumchips vielleicht schon bald mit viel mehr Bits und Bytes jonglieren können. (MaxPlanckForschung 3/2007)


Hier leuchtet Silizium schon - aber nicht in der Diode, wie sie für die Optoelektronik nötig wäre. Bild: SPL - Agentur Focus

Einige Wissenschaftler hoffen, dass Licht einmal den Platzmangel auf Computerchips beheben kann. Dann sollen Photonen statt Elektronen mit Daten hantieren und so noch mehr Rechenleistung auf engstem Raum ermöglichen. Auf Silizium als Grundlage für Mikrochips möchten die Forscher dabei freilich nicht verzichten. Zu gut beherrscht die Industrie es inzwischen, Transistoren aus diesem Material zu ätzen. Eine Forschungsgruppe am Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik in Halle hat Silizium jetzt das Leuchten beigebracht, indem sie Quanteneffekte ausnutzt.

Damit ein Material Licht aussendet, müssen seine Elektronen zunächst Energie aufnehmen, die ihnen etwa in Form von elektrischem Strom angeboten werden kann. Dabei hüpfen sie von einem tieferen energetischen Niveau in ein höheres - auf einer Art energetischem Sprungbrett. Von dort lassen sie sich wieder in die Tiefe fallen und geben ihre überschüssige Energie im besten Falle als Licht ab. Aber die Elektronen des Siliziums gelangen nur auf einem Umweg auf das Sprungbrett. Den finden sie nur schwer, so dass Silizium normalerweise nicht leuchtet.

... mehr zu:
»Elektron »Silizium

Einen Trick, um den Elektronen des Siliziums auf die Sprünge zu helfen, beherrschen am Hallenser Max-Planck-Institut Peter Werner, Vadim Talalaev und ihre Mitarbeiter. So haben die Forscher kürzlich eine Leuchtdiode auf der Basis von Halbleitern konstruiert. In ihr stellt Silizium jedoch nur eine Komponente dar: Wie in einem Sandwich haben die Wissenschaftler abwechselnd nanometerdünne Schichten aus Silizium mit einer Prise Antimon und Germanium übereinander gestapelt. Das Germanium-Silizium-Supergitter leuchtet, weil die Elektronen des Siliziums in den benachbarten Germaniumschichten passende Löcher finden, in die sie mit einer Leuchtspur fallen können.

Die Schichten aus Germanium dürfen im Schnitt nicht einmal fünf Nanometer messen, und die aus Silizium auch nicht viel mehr, damit das Supergitter Licht abgibt. "Die Quanteneffekte, die im Nanometerbereich auftreten, machen diese Forschung für uns interessant", sagt Ulrich Gösele, Direktor des Instituts. Einer der Effekte ist, dass die Elektronen benachbarter Siliziumschichten durch die trennende Germaniumebene tunneln. Dabei vollbringen sie ein Kunststück, das nur in der Quantenphysik möglich ist. Sie gehen durch eine Wand. Der Tunneleffekt macht das Silizium-Germanium-Supergitter erst zu einer brauchbaren Lichtquelle. Sandwiches aus dickeren Lagen der beiden Halbleiter leuchten zwar auch, aber nur sehr schwach, weil die Elektronen nur schlecht zu den Löchern im Germanium gelangen. "Eine Siliziumdiode mit unserer Effizienz würde für die Optoelektronik schon reichen", sagt Talalaev und meint damit unter anderem die Hersteller von Computerchips. "Jetzt versuchen wir, daraus einen Laser zu bauen."

Einen Silizium-Laser zu bauen, versucht auch Margit Zacharias, die kürzlich noch eine Forschungsgruppe in Ulrich Göseles Abteilung leitete. Sie setzt dabei auf die Nanotechnologie. Ihre Silizium-Nanokristalle ordnen sich in einem Block von Siliziumdioxid zu einem Muster an, das auf Bildern eines Transmissions-Elektronenmikroskops an eine belgische Waffel erinnert. Doch eigentlich passt der Vergleich mit einem Kirschkuchen besser, denn die Nanokristalle sitzen im in der isolierenden Schicht des Siliziumdioxids wie die Kirschen im Teig. Nur eben viel geordneter, sodass sie wiederum ein Supergitter aus Quantenpunkten formen.

Die Größe der Kristalle ist auch hier entscheidend. "Ich stelle mir das manchmal selber so vor, dass sich die Elektronen und Löcher in den Nanokristallen einfach nicht aus dem Wege gehen können", sagt Zacharias. Da der Abstand so klein ist, finden sie leichter zueinander und geben bei ihrer Begegnung einen Lichtblitz ab. Aber das Siliziumdioxid sperrt als Isolator nicht nur die Elektronen und Löcher in den Nanokristallen ein, es verhindert auch, dass von außen welche in den Kristall eindringen. Das ist ungünstig, wenn Strom die Energie zum Leuchten liefern soll. "Die Löcher und Elektronen müssen also durch die Siliziumdioxidschicht tunneln", sagt Lorenzo Pavesi. Er unterstützt Zacharias von der Universität Trento in Norditalien aus. "Dafür sind die Oxidschichten um die Nanokristalle bislang noch zu dick." Immerhin hat Pavesi aber schon Ideen, die Probleme zu lösen. "Wie wir das machen wollen, kann ich natürlich nicht verraten", sagt er: "Aber die Chancen stehen gut."

Eine ausführliche Version dieses Textes finden Sie im Schwerpunkt der neuesten Ausgabe der MaxPlanckForschung. Unter dem Titel "Neue Materialien" beleuchten wir unter anderem die technischen Möglichkeiten, die in Stoffen aus der Natur schlummern. Max-Planck-Forscher versuchen die Prinzipien der Natur nutzbar zu machen. Die Wissenschaftler gucken bei ihrer Suche nach neuen Werkstoffen, was unter der Oberfläche von Muscheln steckt, und woher Holz seine Stärke nimmt. In dem Beitrag "Das Geheimnis in der Austernschale" schildern wir, wie Schalentiere, Seeigel und Korallen die Ideen zu neuen keramischen Materialien liefern. In "Bäume zeigen Muskeln" erweist sich die Natur als ausgezeichneter Baumeister biegsamer Fasern. Und die Max-Planck-Forscher erweisen sich als ihre Lehrlinge, die nach ihrem Vorbild Glasfaserstoffe für den Flugzeugbau optimieren. Dass die Materialforschung auch von einem Blick zurück profitieren kann, beleuchten wir hingegen in dem Beitrag "Das Metall macht die Musik". Dabei stellen wir Ihnen Metallforscher vor, die aufklären, warum die Orgelpfeifen barocker Baumeister einen so guten Klang erzeugen. Damit Musikliebhaber in Zukunft Orgelkonzerte in der Qualität von Bach und Buxtehude genießen können.

Anlässlich der Nobelpreisverleihung an den Max-Planck-Chemiker Gerhard Ertl entschlüsseln Jürgen Renn und Horst Kant in ihrem Essay "Erfolge Abseits des Mainstreams" das "Erfolgsmodell Max Planck". Sie reflektieren dabei die gegenwärtige Forschungspolitik vor ihrem geschichtlichen Hintergrund.

Die Rubrik "Faszination Forschung" zeigt, dass Forschung auch heute noch durchaus abenteuerlich sein kann. Klimaforscher der Max-Planck-Gesellschaft besteigen in dem Beitrag "Atmosphärenchemie - Luftproben in vollen Zügen" die transsibirische Eisenbahn. Auf dem Weg ins Niemandsland um Wladiwostok untersuchen sie, welche Rolle Waldbrände und Methan-Emissionen in Sibirien beim Klimawandel spielen.

Der Einsamkeit der sibirischen Weiten stellen wir in der Sparte "Wissen aus erster Hand" die Geselligkeit von Einzellern gegenüber. Dass Bakterien sich bisweilen zusammenrotten und sogar einen Fruchtkörper ausbilden, erfordert ein ausgeklügeltes Kommunikationssystem. Erfahren sie, "was sich Einzeller zuflüstern".

Der "Kongressbericht" fasst die Beiträge einer Tagung der International Society of Chemical Ecology (ISCE) in Jena zusammen. Die neuesten Erkenntnisse über die komplexen Beziehungen zwischen Pflanzen, Tieren und Mikroben diskutierten Forscher auf ihrem 23. Jahrestreffen, das das Max-Planck-Institut für chemische Ökologie mitorganisiert hat.

Dass der Nutzen der medizinischen Forschung manchmal auf politische Grenzen trifft, berichtet Tim Schröder in der Rubrik "Forschung und Gesellschaft". Sein Beitrag "Der harte Weg ins Trockene" schildert, wie der erfolgreichen Langzeittherapie für Alkoholabhängige "ALITA" der Finanzhahn zugedreht wird.

In "Zur Person" stellen wir Ihnen schließlich die Kognitions- und Neurowissenschaftlerin Ina Bornkessel vor. Die Leiterin der unabhängigen Nachwuchsgruppe Neurotypologie in Leipzig erforscht, warum die Menschen so viele unterschiedliche Sprachen sprechen, obwohl ihre Gehirne immer gleich aufgebaut sind.

Dem Heft liegt der GEOMAX "Vom Dotcom zum Cluster - wie Gründergeist das Wirtschaftswachstum ankurbelt" bei.

MaxPlanckForschung erscheint viermal im Jahr. Das Wissenschaftsmagazin kann bei der Pressestelle der Max-Planck-Gesellschaft oder über unser Webformular abonniert werden. Der Bezug ist kostenfrei.

Dr. Bernd Wirsing | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de

Weitere Berichte zu: Elektron Silizium

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Planeten außerhalb unseres Sonnensystems: Bayreuther Forscher dringen tief ins Weltall vor
23.02.2017 | Universität Bayreuth

nachricht Kühler Zwerg und die sieben Planeten
23.02.2017 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

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: „Vernetzte Autonome Systeme“ von acatech und DFKI auf der CeBIT

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) in Kooperation mit der Deutschen Messe AG vernetzte Autonome Systeme. In Halle 12 am Stand B 63 erwarten die Besucherinnen und Besucher unter anderem Roboter, die Hand in Hand mit Menschen zusammenarbeiten oder die selbstständig gefährliche Umgebungen erkunden.

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für...

Im Focus: Kühler Zwerg und die sieben Planeten

Erdgroße Planeten mit gemäßigtem Klima in System mit ungewöhnlich vielen Planeten entdeckt

In einer Entfernung von nur 40 Lichtjahren haben Astronomen ein System aus sieben erdgroßen Planeten entdeckt. Alle Planeten wurden unter Verwendung von boden-...

Im Focus: Mehr Sicherheit für Flugzeuge

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem totalen Triebwerksausfall zum Einsatz kommt, um den Piloten ein sicheres Gleiten zu einem Notlandeplatz zu ermöglichen, und ein Assistenzsystem für Segelflieger, das ihnen das Erreichen größerer Höhen erleichtert. Präsentiert werden sie von Prof. Dr.-Ing. Wolfram Schiffmann auf der Internationalen Fachmesse für Allgemeine Luftfahrt AERO vom 5. bis 8. April in Friedrichshafen.

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem...

Im Focus: HIGH-TOOL unterstützt Verkehrsplanung in Europa

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt sich bewerten, wie verkehrspolitische Maßnahmen langfristig auf Wirtschaft, Gesellschaft und Umwelt wirken. HIGH-TOOL ist ein frei zugängliches Modell mit Modulen für Demografie, Wirtschaft und Ressourcen, Fahrzeugbestand, Nachfrage im Personen- und Güterverkehr sowie Umwelt und Sicherheit. An dem nun erfolgreich abgeschlossenen EU-Projekt unter der Koordination des KIT waren acht Partner aus fünf Ländern beteiligt.

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt...

Im Focus: Zinn in der Photodiode: nächster Schritt zur optischen On-Chip-Datenübertragung

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium allein – die stoffliche Basis der Chip-Produktion – sind als Lichtquelle kaum geeignet. Jülicher Physiker haben nun gemeinsam mit internationalen Partnern eine Diode vorgestellt, die neben Silizium und Germanium zusätzlich Zinn enthält, um die optischen Eigenschaften zu verbessern. Das Besondere daran: Da alle Elemente der vierten Hauptgruppe angehören, sind sie mit der bestehenden Silizium-Technologie voll kompatibel.

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Aufbruch: Forschungsmethoden in einer personalisierten Medizin

24.02.2017 | Veranstaltungen

Österreich erzeugt erstmals Erdgas aus Sonnen- und Windenergie

24.02.2017 | Veranstaltungen

Big Data Centrum Ostbayern-Südböhmen startet Veranstaltungsreihe

23.02.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Fraunhofer HHI auf dem Mobile World Congress mit VR- und 5G-Technologien

24.02.2017 | Messenachrichten

MWC 2017: 5G-Hauptstadt Berlin

24.02.2017 | Messenachrichten

Auf der molekularen Streckbank

24.02.2017 | Biowissenschaften Chemie