Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Schichten bauen mit dem Atombaukasten

20.08.2010
Experten der Molekularstrahlexpitaxie sind die Legobauer unter den Halbleiterphysikern. Sie können Atomschichten so gleichmäßig zusammenbauen, als wären es die berühmten Plastikbausteine.

Aus immer exotischeren Materialkombinationen entwickeln sie Elektronikbauteile mit ganz neuen Eigenschaften. Vom 22. Bis 27. August treffen sie sich zum 16. Internationalen Molekularstrahlepitaxie Kongress in Berlin.

Atome sind nicht gern allein. Im Gegensatz zu Kinobesuchern, die meist weit entfernt von anderen Platz nehmen, suchen sie sich möglichst viele Nachbarn. Wenn sie sich auf einer Halbleiteroberfläche neben ihres Gleichen setzen, ist das für sie der energetisch günstigste Platz. Das machen sich Physiker zu nutze, wenn sie Atome aus der Gasphase auf einer Halbleiteroberfläche abscheiden.

Molekularstrahlepitaxie (MBE – Molecular Beam Epitaxy) heißt diese Technik, die Grundlagenforscher genauso nutzen wie die Industrie. Mit ihr werden elektronische Bauteile in Handys hergestellt oder Laser in CD-Spielern und optischen Mäusen. Herzstück dieser Bauteile sind kristalline Halbleiterschichten, die nur wenige Atomlagen dick und völlig perfekt sind. Bei der MBE werden die Halbleiterelemente in einer Vakuumkammer verdampft und scheiden sich ganz gleichmäßig auf einer Oberfläche ab. Die Physiker können dabei quasi zuschauen, wie sich Atom für Atom auf der Schicht anordnet. Sie beherrschen dieses faszinierende Verfahren heute schon so perfekt, dass sie Schichten mit genau definierter Anzahl von Atomlagen erzeugen können.

Verspannungen erwünscht

Rund 25 Elemente aus dem Periodensystem stehen ihnen dabei zur Verfügung. Die Halbleiterphysiker sind wahre Künstler, wenn es darum geht, diese Elemente immer wieder neu zu kombinieren. „Die Eigenschaften eines Halbleiters, etwa welches Licht er aussendet, hängen wesentlich von seiner Zusammensetzung ab“, sagt Prof. Henning Riechert vom Berliner Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik, dessen Institut den Kongress zusammen mit der Humboldt-Universität ausrichtet. Da gibt es relativ einfache Schichten wie das Galliumnitrid, die nur aus den Elementen Gallium und Stickstoff bestehen. Komplizierter wird es, wenn die Forscher drei und mehr Elemente in einer Schicht kombinieren. Heraus kommen Materialien wie Gallium-Indiumnitrid, welches beispielsweise für die Erzeugung von Licht im blauen und grünen Bereich des sichtbaren Spektrums eingesetzt wird. Spitzenreiter bei der Anzahl der Schichten ist der Quantenkaskadenlaser mit bis zu 1500 Einzelschichten wechselnder Zusammensetzung, die nur wenige Nanomter dünn sind.

Neben der Zusammensetzung spielen noch viele andere physikalische Parameter eine Rolle. Wenn Schichten aus verschiedenen Materialien bestehen, entstehen oft Spannungen, die durchaus gewollt sind, weil sie die elektronischen Eigenschaften beeinflussen. Bei so dünnen Schichten kommt meist auch der Quanteneffekt ins Spiel. Er besagt, dass die physikalischen Eigenschaften von Materialen sich prinzipiell ändern, wenn die Abmessungen sehr klein werden. Solche Quantenphänomene nutzen die Halbleiterforscher oft gezielt, etwa wenn sie Quantendots – kleine Atomansammlungen - herstellen, die in der Lage sind, „auf Bestellung“ einzelne Lichtteilchen, die Photonen, auszusenden.

Der atomare Baukasten der Natur scheint schier unerschöpflich und wo es soviel Variationsmöglichkeiten gibt, haben die Forscher ein breites Betätigungsfeld. Was wie eine Spielwiese für begabt Physiker erscheint, hat aber einen ernsten Hintergrund. „Elektronische Bauteile sollen immer kleiner werden, mehr leisten und weniger Energie verbrauchen. Da stoßen die herkömmlichen Technologien an ihre Grenzen“, so Riechert. Deshalb suchen er und seine Kollegen nach Materialien und Materialkombinationen mit völlig neuen Eigenschaften.

Säulen statt Schichten

Ein neuer Trend in der Halbleiterforschung, der auf dem Kongress großen Raum einnimmt, geht dahin, nicht Schichten abzuscheiden, sondern Säulen mit Durchmessern im Nanometerbereich. Unter bestimmten Bedingungen wächst dann mittels MBE auf einer Oberfläche ein „Halbleiterrasen“ heran, dessen einzelne „Halme“ noch perfekter sind, als es Schichten je sein können. Oder es gelingt den Physikern solche Rasen auf Oberflächen zu züchten, auf denen Schichten nicht wachsen würden, weil die Kristallstruktur der verwendeten Elemente nicht zusammenpasst. Sie hoffen auf diese Weise beispielsweise Galliumnitrid auf Silizium heranzuziehen, um aus dieser Materialkombination einmal kostengünstig weiße Leuchtdioden für den Massenmarkt herstellen zu können.

Manche Halbleiterelemente wie Indium werden auf der Erde auch langsam knapp werden. Die Forscher suchen hier beispielsweise nach Alternativen für durchsichtige Halbleiter, die bislang Indium enthielten und als Kontaktschichten für Solarzellen dienen. Wieder andere Forscher versuchen, die Elektronen im Halbleiter mit einem ausgerichteten Spin zu versehen, der sonst nur in magnetischen Metallen vorkommt. Der Spin ist eine Art Drehung um die eigene Achse der Elektronen, und kann genau zwei Richtungen annehmen. Die Forscher wollen damit intelligentere Bauteile herstellen, die neben der Information Strom „fließt“ oder „fließt nicht“ auch die Spinrichtung zur Speicherung und Übertragung von Informationen nutzen.

Über neueste Entwicklungen zu diesem Thema tauschen sich rund 400 Experten aus aller Welt vom 22. Bis 27. August 2010 im Berliner Kongresszentrum aus. Veranstalter ist das Berliner Paul-Drude-Institut für Festkörperphysik, das zehn MBE-Anlagen betreibt und eine der führenden Forschungseinrichtungen auf diesem Gebiet in Deutschland ist.

Kontakt: Prof. Henning Riechert, Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik, Tel.: 030-20377 365, riechert@pdi-berlin.de

Christine Vollgraf | Forschungsverbund Berlin e.V.
Weitere Informationen:
http://www.mbe2010.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Vermeintlich junger Stern entpuppt sich als galaktischer Greis
16.01.2017 | Ruhr-Universität Bochum

nachricht Laser-Metronom ermöglicht Rekord-Synchronisation
12.01.2017 | Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY

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: Mit solaren Gebäudehüllen Architektur gestalten

Solarthermie ist in der breiten Öffentlichkeit derzeit durch dunkelblaue, rechteckige Kollektoren auf Hausdächern besetzt. Für ästhetisch hochwertige Architektur werden Technologien benötigt, die dem Architekten mehr Gestaltungsspielraum für Niedrigst- und Plusenergiegebäude geben. Im Projekt »ArKol« entwickeln Forscher des Fraunhofer ISE gemeinsam mit Partnern aktuell zwei Fassadenkollektoren für solare Wärmeerzeugung, die ein hohes Maß an Designflexibilität erlauben: einen Streifenkollektor für opake sowie eine solarthermische Jalousie für transparente Fassadenanteile. Der aktuelle Stand der beiden Entwicklungen wird auf der BAU 2017 vorgestellt.

Im Projekt »ArKol – Entwicklung von architektonisch hoch integrierten Fassadekollektoren mit Heat Pipes« entwickelt das Fraunhofer ISE gemeinsam mit Partnern...

Im Focus: Designing Architecture with Solar Building Envelopes

Among the general public, solar thermal energy is currently associated with dark blue, rectangular collectors on building roofs. Technologies are needed for aesthetically high quality architecture which offer the architect more room for manoeuvre when it comes to low- and plus-energy buildings. With the “ArKol” project, researchers at Fraunhofer ISE together with partners are currently developing two façade collectors for solar thermal energy generation, which permit a high degree of design flexibility: a strip collector for opaque façade sections and a solar thermal blind for transparent sections. The current state of the two developments will be presented at the BAU 2017 trade fair.

As part of the “ArKol – development of architecturally highly integrated façade collectors with heat pipes” project, Fraunhofer ISE together with its partners...

Im Focus: Mit Bindfaden und Schere - die Chromosomenverteilung in der Meiose

Was einmal fest verbunden war sollte nicht getrennt werden? Nicht so in der Meiose, der Zellteilung in der Gameten, Spermien und Eizellen entstehen. Am Anfang der Meiose hält der ringförmige Proteinkomplex Kohäsin die Chromosomenstränge, auf denen die Bauanleitung des Körpers gespeichert ist, zusammen wie ein Bindfaden. Damit am Ende jede Eizelle und jedes Spermium nur einen Chromosomensatz erhält, müssen die Bindfäden aufgeschnitten werden. Forscher vom Max-Planck-Institut für Biochemie zeigen in der Bäckerhefe wie ein auch im Menschen vorkommendes Kinase-Enzym das Aufschneiden der Kohäsinringe kontrolliert und mit dem Austritt aus der Meiose und der Gametenbildung koordiniert.

Warum sehen Kinder eigentlich ihren Eltern ähnlich? Die meisten Zellen unseres Körpers sind diploid, d.h. sie besitzen zwei Kopien von jedem Chromosom – eine...

Im Focus: Der Klang des Ozeans

Umfassende Langzeitstudie zur Geräuschkulisse im Südpolarmeer veröffentlicht

Fast drei Jahre lang haben AWI-Wissenschaftler mit Unterwasser-Mikrofonen in das Südpolarmeer hineingehorcht und einen „Chor“ aus Walen und Robben vernommen....

Im Focus: Wie man eine 80t schwere Betonschale aufbläst

An der TU Wien wurde eine Alternative zu teuren und aufwendigen Schalungen für Kuppelbauten entwickelt, die nun in einem Testbauwerk für die ÖBB-Infrastruktur umgesetzt wird.

Die Schalung für Kuppelbauten aus Beton ist normalerweise aufwändig und teuer. Eine mögliche kostengünstige und ressourcenschonende Alternative bietet die an...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Aquakulturen und Fangquoten – was hilft gegen Überfischung?

16.01.2017 | Veranstaltungen

14. BF21-Jahrestagung „Mobilität & Kfz-Versicherung im Fokus“

12.01.2017 | Veranstaltungen

Leipziger Biogas-Fachgespräch lädt zum "Branchengespräch Biogas2020+" nach Nossen

11.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Weltweit erste Solarstraße in Frankreich eingeweiht

16.01.2017 | Energie und Elektrotechnik

Proteinforschung: Der Computer als Mikroskop

16.01.2017 | Biowissenschaften Chemie

Vermeintlich junger Stern entpuppt sich als galaktischer Greis

16.01.2017 | Physik Astronomie