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 Was passiert, wenn wir das Atomgitter eines Magneten plötzlich aufheizen?
16.07.2018 | Forschungsverbund Berlin e.V.

nachricht Erste Beweise für Quelle extragalaktischer Teilchen
13.07.2018 | Technische Universität München

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: Was passiert, wenn wir das Atomgitter eines Magneten plötzlich aufheizen?

„Wir haben jetzt ein klares Bild davon, wie das heiße Atomgitter und die kalten magnetischen Spins eines ferrimagnetischen Nichtleiters miteinander ins Gleichgewicht gelangen“, sagt Ilie Radu, Wissenschaftler am Max-Born-Institut in Berlin. Das internationale Forscherteam fand heraus, dass eine Energieübertragung sehr schnell stattfindet und zu einem neuartigen Zustand der Materie führt, in dem die Spins zwar heiß sind, aber noch nicht ihr gesamtes magnetisches Moment verringert haben. Dieser „Spinüberdruck“ wird durch wesentlich langsamere Prozesse abgebaut, die eine Abgabe von Drehimpuls an das Gitter ermöglichen. Die Forschungsergebnisse sind jetzt in "Science Advances" erschienen.

Magnete faszinieren die Menschheit bereits seit mehreren tausend Jahren und sind im Zeitalter der digitalen Datenspeicherung von großer praktischer Bedeutung....

Im Focus: Erste Beweise für Quelle extragalaktischer Teilchen

Zum ersten Mal ist es gelungen, die kosmische Herkunft höchstenergetischer Neutrinos zu bestimmen. Eine Forschungsgruppe um IceCube-Wissenschaftlerin Elisa Resconi, Sprecherin des Sonderforschungsbereichs SFB1258 an der Technischen Universität München (TUM), liefert ein wichtiges Indiz in der Beweiskette, dass die vom Neutrino-Teleskop IceCube am Südpol detektierten Teilchen mit hoher Wahrscheinlichkeit von einer Galaxie in vier Milliarden Lichtjahren Entfernung stammen.

Um andere Ursprünge mit Gewissheit auszuschließen, untersuchte das Team um die Neutrino-Physikerin Elisa Resconi von der TU München und den Astronom und...

Im Focus: First evidence on the source of extragalactic particles

For the first time ever, scientists have determined the cosmic origin of highest-energy neutrinos. A research group led by IceCube scientist Elisa Resconi, spokesperson of the Collaborative Research Center SFB1258 at the Technical University of Munich (TUM), provides an important piece of evidence that the particles detected by the IceCube neutrino telescope at the South Pole originate from a galaxy four billion light-years away from Earth.

To rule out other origins with certainty, the team led by neutrino physicist Elisa Resconi from the Technical University of Munich and multi-wavelength...

Im Focus: Magnetische Wirbel: Erstmals zwei magnetische Skyrmionenphasen in einem Material entdeckt

Erstmals entdeckte ein Forscherteam in einem Material zwei unabhängige Phasen mit magnetischen Wirbeln, sogenannten Skyrmionen. Die Physiker der Technischen Universitäten München und Dresden sowie von der Universität zu Köln können damit die Eigenschaften dieser für Grundlagenforschung und Anwendungen gleichermaßen interessanten Magnetstrukturen noch eingehender erforschen.

Strudel kennt jeder aus der Badewanne: Wenn das Wasser abgelassen wird, bilden sie sich kreisförmig um den Abfluss. Solche Wirbel sind im Allgemeinen sehr...

Im Focus: Neue Steuerung der Zellteilung entdeckt

Wenn eine Zelle sich teilt, werden sämtliche ihrer Bestandteile gleichmässig auf die Tochterzellen verteilt. UZH-Forschende haben nun ein Enzym identifiziert, das sicherstellt, dass auch Zellbestandteile ohne Membran korrekt aufgeteilt werden. Ihre Entdeckung eröffnet neue Möglichkeiten für die Behandlung von Krebs, neurodegenerative Krankheiten, Alterungsprozessen und Virusinfektionen.

Man kennt es aus der Küche: Werden Aceto balsamico und Olivenöl miteinander vermischt, trennen sich die beiden Flüssigkeiten. Runde Essigtropfen formen sich,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Interdisziplinäre Konferenz: Diabetesforscher und Bioingenieure diskutieren Forschungskonzepte

13.07.2018 | Veranstaltungen

Conference on Laser Polishing – LaP: Feintuning für Oberflächen

12.07.2018 | Veranstaltungen

Materialien für eine Nachhaltige Wasserwirtschaft – MachWas-Konferenz in Frankfurt am Main

11.07.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Vertikales Begrünungssystem Biolit Vertical Green<sup>®</sup> auf Landesgartenschau Würzburg

16.07.2018 | Architektur Bauwesen

Feinstaub macht Bäume anfälliger gegen Trockenheit

16.07.2018 | Biowissenschaften Chemie

Wie Krebszellen Winterschlaf halten

16.07.2018 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics