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Im Kleinen ganz groß

27.01.2014
Kieler Physikern gelingt es erstmals, ein Atom vertikal zu verschieben und dessen Funktion zu untersuchen

Bauteile für Computer werden immer kleiner und präziser. Einer der leistungsfähigsten Computer wäre der Quantenrechner, ein auf den Gesetzen der Quantenmechanik beruhendes, bisher noch weitgehend theoretisches Konzept. Hierbei spielt die Kontrolle der Zustände einzelner Atome eine große Rolle.

Wissenschaftlern der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) ist es nun erstmals gelungen, einzelne Atome in einem Kristall gezielt vertikal zu bewegen. Dies ist ein wichtiges Werkzeug für die Entwicklung ultrakleiner Bauelemente.

Zeitgleich entdeckten sie eine Methode, ein mit Transistoren vergleichbares Verhalten einzelner Atome zu messen. Die Forscher veröffentlichten ihre Ergebnisse kürzlich im Fachmagazin Nature Communications (3. Januar 2014) sowie in Physical Review Letters.

Bei der Herstellung ultrakleiner Bauteile sind das Verstehen, Überprüfen und Handhaben der Materialien eine große Herausforderung. Ein häufig verwendeter Stoff ist das durchsichtige Zinkoxid (ZnO). Es wird als Halbleiter bei der Herstellung blauer Leuchtdioden (LED) und Flüssigkristallbildschirmen (LCD) verwendet oder in Form von Nanodrähten in der Messtechnik eingesetzt. Dabei waren einige seiner Eigenschaften unverstanden – etwa die Leitfähigkeit des reinen Materials.

Einen großen Schritt zur Lösung dieses Rätsels haben Dr. Hao Zheng, Dr. Alexander Weismann und Professor Richard Berndt vom Institut für Experimentelle und Angewandte Physik der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel nun gemacht. In einer Forschungsarbeit im Bereich „Magnetoelektronische Verbundwerkstoffe“ untersuchte Hao Zheng mit dem Rastertunnelmikroskop (RTM) Zinkoxid.

Das RTM kann Kristalle auf atomarer Ebene darstellen. Zheng entdeckte dabei regelmäßige, ringförmige Strukturen innerhalb der ansonsten unebenen Oberfläche. „Wir fanden heraus, dass die Ursache dafür fehlerhaft in den Kristall eingebaute Zinkatome sind“, sagt Zheng. Jedes dieser Atome wies zwei Ringe auf – ein Beleg dafür, dass das Atom zwei Elektronen an den Halbleiter abgeben kann. „Wir studierten die Fachliteratur und bemerkten, dass bisher nicht erklärt werden konnte, warum Zinkoxid leitet. Die Schlussfolgerung lag nahe, dass dies an den von uns beobachteten Zinkatomen liegen muss, die im Kristall natürlich vorkommen.“

Im Zuge weiterer Forschungen beobachtete Dr. Zheng, dass sich die Größe der Ringe im Rastertunnelmikroskopbild verändern ließ. Auf der Suche nach der Ursache dieses Phänomens, holte sich Zheng seinen Kollegen Dr. Alexander Weismann zur Seite, um Modellrechnungen durchzuführen. „Die Berechnungen ergaben, dass die Ringdurchmesser etwas über die Tiefe verraten, in der sich die Atome unter der Oberfläche befinden“, sagt Weismann.

Dr. Zheng konnte nun zeigen, dass die Position eines Atoms um einzelne Atomlagen verändert werden konnte. „Wir sind die ersten, denen es gelungen ist, Atome innerhalb eines Kristalls mit atomarer Präzision vertikal zu bewegen“, ergänzt Dr. Weismann. „Das ist ein nützliches Werkzeug, um kleinste Strukturen im Labor zu bauen.“

Den Forschern an der Kieler Universität ist aber noch mehr gelungen. Sie konnten an den Zinkatomen ein Verhalten beobachten, welches dem eines Transistors ähnelt. Dieses Bauelement kommt milliardenfach in modernen Computern vor und benötigt gewöhnlich drei Kontaktelektroden. Bei ultrakleinen Nanostrukturen wie Atomen, die 0,3 Nanometer klein sind, würden aber zwangsläufig Kurzschlüsse zwischen den Elektroden auftreten. „Wir haben mit Hilfe des Rastertunnelmikroskops eine Messmethode entdeckt, bei der nur zwei Elektroden benötigt werden, von denen eine beweglich sein muss.“ Auch dies ist ein wichtiger Schritt für das Hantieren mit Nanostrukturen.

Die Forschungsarbeit wurde vom Sonderforschungsbereich 855 „Magnetoelektrische Verbundwerkstoffe – biomagnetische Schnittstellen der Zukunft“ gefördert.

Originalpublikation:
Zheng, H. et al. Tuning the electron transport at single donors in zinc oxide with a scanning tunnelling microscope. Nat. Commun. 4:2992 doi: 10.1038/ncomms3992 (2014).

Abrufbar unter: http://www.nature.com/ncomms/2014/140103/ncomms3992/full/ncomms3992.html

Ein Foto steht zum Download bereit:
http://www.uni-kiel.de/download/pm/2014/2014-022-1.jpg
Bildunterschrift: Leisten Pionierarbeit für den Umgang mit Nanostrukturen: Alexander Weismann und Hao Zheng vor dem Rastertunnelmikroskop

Foto/Copyright: Wimber/CAU

Kontakt
Dr. Alexander Weismann
Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Institut für Experimentelle und Angewandte Physik
Tel.: 0431/880-3966
E-Mail: weismann@physik.uni-kiel.de
Text:
Ann-Christin Wimber
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