Atomare Struktur von Quantenpunkten entschlüsselt

27.04.2001

Wissenschaftler des Berliner Fritz-Haber-Instituts der Max-Planck-Gesellschaft haben jetzt die atomare Struktur von Quantenpunkten aus dem Halbleitermaterial Indiumarsenid entschlüsselt. Das gelang Forschern der Abteilung Physikalische Chemie um Prof. Karl Jacobi mit Hilfe gleichzeitiger Untersuchungen von Galliumarsenid. Bei diesem Halbleiter mit ähnlichen Eigenschaften wurde eine bisher völlig unbekannte, stabile Oberfläche entdeckt. (Appl. Phys. Letter Band 78, Seite 2309, 16.04.2001 / Phys. Rev. Letter Band 86, Seite 3815, 23.04.2001).

Quantenpunkte aus Halbleiterkristallen sind winzige, aus nur einigen zehntausend Atomen bestehende "Inseln" - noch hundertmal kleiner als die derzeitigen Bauelemente der Mikroelektronik. Mit ihren Abmessungen von nur wenigen Nanometern (= Millionstel Millimeter) besitzen diese ultrakleinen Systeme grundlegend neue, physikalische Eigenschaften. Bereits bei Zimmertemperatur wirken Quantenpunkte als Käfige für Elektronen; darin können sich die Ladungsträger nicht mehr frei bewegen, "ihre Energie ist vollständig quantisiert", sagen die Wissenschaftler. Quanteneffekte bestimmen in solchen Nano-Kristallen aus Halbleitermaterial das Geschehen.

In Quantenpunkten können Elektronen nur noch ganz bestimmte - diskrete - Energieniveaus besetzen. Das sind Bedingungen wie in einem einzelnen Atom. Springt beispielsweise ein Elektron vom höheren in den niedrigeren Energiezustand, wird der Energieunterschied in Form von Licht ausgestrahlt. Quantenpunkte eignen sich daher besonders als aktives Medium für Halbleiterlaser. Nano-Strukturen aus Halbleitermaterialien gelten deshalb als Schlüsseltechnologie für künftige Bauelemente der Quanten- und Opto-Elektronik, sie stehen weltweit im Mittelpunkt intensiver Forschungsanstrengungen.

Voraussetzung für den technischen Einsatz von Quantenpunkten ist die genaue Kenntnis des atomaren Aufbaus der Halbleiter-Nanokristalle. Auf dieser winzigen Größenskala ist eine gezielte Strukturierung mit Werkzeugen oder Masken, wie sie etwa aus der Produktion von Mikrochips bekannt ist, praktisch nicht möglich. Die dafür bisher vor allem eingesetzten Ätzverfahren verur-sachen zu viele Defekte in den Strukturen und machen sie damit unbrauchbar.

Vielmehr werden die natürlichen Ordnungskräfte beim Wachstum von Halbleitern ausgenutzt. Ohne fremde Einwirkung entstehen solche Quantenpunkte selbstorganisiert, sie bilden sich also quasi von alleine. Dabei ist für technologische Anwendungen - etwa in Lasern - wichtig, dass die so erzeugten Quantenpunkte eine möglichst gleichartige, regelmäßige Form und eine vorherrschende Orientierung erhalten. Doch diese selbständig ablaufenden Mechanismen, die zur Bildung der "Inseln" im Halbleiter führen, konnten bisher nur unvollständig nachvollzogen werden. Mit der Entschlüsselung der genauen Struktur von Indiumarsenid-Quantenpunkten sind Wissenschaftler um Karl Jacobi am Berliner Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft jetzt einen wichtigen Schritt vorangekommen.

https://www.chemie.de/news/2742/atomare-struktur-von-quantenpunkten-entschluesselt.html