Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

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
Redaktionsbüro Alte Schule
www.alte-schule.info
Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Presse, Kommunikation und Marketing, Dr. Boris Pawlowski,
Redaktion: Claudia Eulitz
Postanschrift: D-24098 Kiel,
Telefon: (0431) 880-2104, Telefax: (0431) 880-1355
E-Mail: presse@uv.uni-kiel.de

Dr. Boris Pawlowski | Uni Kiel
Weitere Informationen:
http://www.uni-kiel.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Heiß & kalt – Gegensätze ziehen sich an
25.04.2017 | Universität Wien

nachricht Astronomen-Team findet Himmelskörper mit „Schmauchspuren“
25.04.2017 | Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn

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: Nanoskopie auf dem Chip: Mikroskopie in HD-Qualität

Neue Erfindung der Universitäten Bielefeld und Tromsø (Norwegen)

Physiker der Universität Bielefeld und der norwegischen Universität Tromsø haben einen Chip entwickelt, der super-auflösende Lichtmikroskopie, auch...

Im Focus: Löschbare Tinte für den 3-D-Druck

Im 3-D-Druckverfahren durch Direktes Laserschreiben können Mikrometer-große Strukturen mit genau definierten Eigenschaften geschrieben werden. Forscher des Karlsruher Institus für Technologie (KIT) haben ein Verfahren entwickelt, durch das sich die 3-D-Tinte für die Drucker wieder ‚wegwischen‘ lässt. Die bis zu hundert Nanometer kleinen Strukturen lassen sich dadurch wiederholt auflösen und neu schreiben - ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter. Die Entwicklung eröffnet der 3-D-Fertigungstechnik vielfältige neue Anwendungen, zum Beispiel in der Biologie oder Materialentwicklung.

Beim Direkten Laserschreiben erzeugt ein computergesteuerter, fokussierter Laserstrahl in einem Fotolack wie ein Stift die Struktur. „Eine Tinte zu entwickeln,...

Im Focus: Leichtbau serientauglich machen

Immer mehr Autobauer setzen auf Karosserieteile aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK). Dennoch müssen Fertigungs- und Reparaturkosten weiter gesenkt werden, um CFK kostengünstig nutzbar zu machen. Das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) hat daher zusammen mit der Volkswagen AG und fünf weiteren Partnern im Projekt HolQueSt 3D Laserprozesse zum automatisierten Besäumen, Bohren und Reparieren von dreidimensionalen Bauteilen entwickelt.

Automatisiert ablaufende Bearbeitungsprozesse sind die Grundlage, um CFK-Bauteile endgültig in die Serienproduktion zu bringen. Ausgerichtet an einem...

Im Focus: Making lightweight construction suitable for series production

More and more automobile companies are focusing on body parts made of carbon fiber reinforced plastics (CFRP). However, manufacturing and repair costs must be further reduced in order to make CFRP more economical in use. Together with the Volkswagen AG and five other partners in the project HolQueSt 3D, the Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) has developed laser processes for the automatic trimming, drilling and repair of three-dimensional components.

Automated manufacturing processes are the basis for ultimately establishing the series production of CFRP components. In the project HolQueSt 3D, the LZH has...

Im Focus: Wonder material? Novel nanotube structure strengthens thin films for flexible electronics

Reflecting the structure of composites found in nature and the ancient world, researchers at the University of Illinois at Urbana-Champaign have synthesized thin carbon nanotube (CNT) textiles that exhibit both high electrical conductivity and a level of toughness that is about fifty times higher than copper films, currently used in electronics.

"The structural robustness of thin metal films has significant importance for the reliable operation of smart skin and flexible electronics including...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

„Microbiology and Infection“ - deutschlandweit größte Fachkonferenz in Würzburg

25.04.2017 | Veranstaltungen

Berührungslose Schichtdickenmessung in der Qualitätskontrolle

25.04.2017 | Veranstaltungen

Forschungsexpedition „Meere und Ozeane“ mit dem Ausstellungsschiff MS Wissenschaft

24.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

„Microbiology and Infection“ - deutschlandweit größte Fachkonferenz in Würzburg

25.04.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Auf dem Weg zur lückenlosen Qualitätsüberwachung in der gesamten Lieferkette

25.04.2017 | Verkehr Logistik

Digitalisierung bringt Produktion zurück an den Standort Deutschland

25.04.2017 | Wirtschaft Finanzen