Auf dem Weg in die Post-Silizium-Ära mit halbleitenden Graphen-Quantenstrukturen
Internationales Forschungsteam realisierte halbleitende, kohlenstoff-basierte Quantenstrukturen, die sich für künftige Transistoranwendungen nutzen lassen
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Im Labor der Professur Analytik an Festkörperoberflächen der TU Chemnitz wird in einer Präparationskammer eines Rastertunnelmikroskops ein strukturierter Siliziumcarbid-Kristall aufgeheizt, damit kleinste Graphen-Strukturen entstehen können. Foto: Jacob Müller -
Bandstruktur-Messungen (blau und rot) sowie ein Mikroskopiebild der Facettenstruktur auf Siliciumcarbid. Mit dem Rastertunnelmikroskop lassen sich auf jeder dieser Facetten ca. elf Graphen-Quantenstrukturen nachwiesen. Mit atomarer Auflösung sind die 18 Honigwaben klar zu erkennen. Auf dieser Basis konnte die Bandstruktur theoretisch modelliert werden. Grafik: Hrag Karakachian und Christoph Tegenkamp
Transistoren sind das Herzstück der Digitaltechnik. Mit Hilfe sogenannter Feldeffekt-Transistoren lassen sich elektrische Ströme durch Anlegen einer Spannung in einfacher Weise an- und ausschalten. Dabei spielen Halbleiter, wie Silizium, eine zentrale Rolle, damit im betriebslosen Zustand kein Strom fließt. Die Idee des Feldeffekt-Transistors geht auf Julius Lilienfeld aus dem Jahre 1925 zurück. Dank der Weiterentwicklungen im Bereich der Mikrotechnologie der letzten 50 Jahre lassen sich heute mehr als eine Milliarde Transistoren auf einem modernen Prozessor mit Strukturgrößen im Bereich von 10 bis 20 Nanometer realisieren. Auf der Suche nach neuen und effizienteren Materialien rückte auch Graphen – eine einzige Lage wabenförmig angeordneter Kohlenstoffatome mit herausragenden elektrischen, mechanischen und optischen Eigenschaften – in den Fokus der Forschung.
Perfekte Ensembles halbleitender Quantenstrukturen
Physikerinnen und Physikern der Technischen Universität Chemnitz ist es nun erstmals gemeinsam mit Forscherinnen und Forschern des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung in Stuttgart, des Trinity College in Dublin (Irland) und des MAX IV Laboratory in Lund (Schweden) gelungen, durch das Heizen eines nanostrukturierten Siliziumcarbid-Kristalls, quasi perfekte Ensembles von halbleitenden Quantenstrukturen herzustellen und sie umfassend zu charakterisieren. „Das Besondere daran ist, dass sich extrem hohe Dichten von quasi identischen halbleitenden Strukturen auf diese Weise herstellen lassen. Mit fast einer Million halbleitenden Strukturen pro Zentimeter und Ausnutzen der weiteren Raumrichtungen, lassen sich extrem hohe Integrationsdichten realisieren“, erläutert Prof. Dr. Christoph Tegenkamp, Inhaber der Professur Analytik an Festkörperoberflächen der TU Chemnitz. „Die einzelne Struktur weist eine Breite von nur 18 Honigwaben auf und die halbleitenden Eigenschaften sind hier das Ergebnis der Quantenphysik“, erklärt Thi Thuy Nhung Nguyen, die diese Strukturen innerhalb ihrer Promotion im Detail untersucht.
Anhand hochauflösender Experimente mittels der Rastertunnelmikroskopie wurden die halbleitenden Quantentransportkanäle im Detail charakterisiert und erlauben eine quantitative Beschreibung der elektronischen Eigenschaften, wie das Journal „Nature Communication“ in seiner aktuellen Ausgabe berichtet. Die Autoren der Studie sind zuversichtlich, dass sich künftig alternative Logikschaltungen auf Basis dieser robusten Quantenstrukturbauelemente realisieren lassen.
Weitere Informationen erteilt Prof. Dr. Christoph Tegenkamp, Telefon 0371 531-33103, E-Mail christoph.tegenkamp@physik.tu-chemnitz.de.
Homepage der Professur Analytik an Festkörperoberflächen: https://www.tu-chemnitz.de/physik/AFKO/
Publikation: https://doi.org/10.1038/s41467-020-19051-x
Mario Steinebach
23.12.2020
