Quantendraht

Der Begriff Quantendraht beschreibt eine räumliche Potenzialstruktur, bei der die Bewegungsfreiheit von Ladungsträgern in zwei Dimensionen eingeschränkt wird. Für real existierende Quantendrähte wird gefordert, dass die typischen Singularitäten der eindimensionalen elektronischen Zustandsdichte nachweisbar sind. Solche Quantendrähte erlauben das experimentelle Studium des eindimensionalen Elektronengases.

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Quantendrähte gehören wie Quantentöpfe und Quantenpunkte zu den Quantenstrukturen.

Kristalline Quantendrähte

Quantendrähte auf kristalliner Basis können nur hergestellt werden, wenn die De-Broglie-Wellenlänge der Ladungsträger im betrachteten Material deutlich oberhalb atomarer Dimensionen liegt. Bei Raumtemperatur ist diese Bedingung für Metalle nicht erfüllt. Im Gegensatz dazu liegt die De-Broglie-Wellenlänge für Elektronen bei vielen Halbleiter-Materialien im Bereich einiger Nanometer.

Herstellung von Quantendrähten in Halbleiter-Heterostrukturen

Die Vorgehensweise ist kompliziert im Vergleich zur Herstellung von Quantentöpfen, die durch epitaktisches Wachstum auf einem hinreichend glatten Halbleitersubstrat erzeugt werden können.

Typischerweise wird eine dünne Schicht mit einer Verdickung entlang einer Linie in ein Material größerer Bandlücke eingebettet. Aufgrund ihrer räumlichen Ausdehnung im Festkörper erfahren die Ladungsträger innerhalb der Verdickung ein niedrigeres Potenzial als im anliegenden dünneren Quantentopf und sind damit lokalisiert.

Zur Herstellung wurden in der Vergangenheit z.B. die folgenden Methoden angewendet:

• Überwachsen von Spaltflächen (engl. cleaved edged overgrowth): Hierbei wird zuerst ein Quantentopf durch epitaktisches Wachstum einer Doppelheterostruktur hergestellt. Das Material wird dann parallel zur Wachstumsrichtung gespalten und die Spaltfläche mit einem zweiten Quantentopf überwachsen. Die Schnittlinie der senkrecht zueinander stehenden Quantentöpfe bildet den Quantendraht.

• Wachstum auf fehlgeneigten Oberflächen (engl. growth on vicinal substrates): Es wird ein fehlgeneigtes Halbleitersubstrat verwendet, auf dessen Oberfläche sich regelmäßige Stufen von der Höhe einiger Atomlagen ausgebildet haben. Wird nun eine Doppelheterostruktur auf das Substrat aufgewachsen, bilden sich Quantendrähte entlang der Stufen.

• Wachstum auf nicht-ebenen Substraten (engl. growth on non-planar substrates): Es wird ein Halbleitersubstrat verwendet, in dessen Oberfläche V-förmige Gräben mithilfe lithographischer Verfahren geätzt wurden. Diese können bis zu mehreren Mikrometern breit sein. Beim darauffolgenden Aufwachsen einer Doppelheterostruktur mittels MOVPE bildet sich am Boden des V-Grabens auf Grund der Kapillarität ein Quantendraht halbmondförmigen Querschnitts.

Siehe auch

Nanodraht