News: Elektronenmalerei
Mühsam stellen Forscher bislang winzige Halbleiterstrukturen her, um daran mögliche Konzepte für Quantencomputer zu prüfen oder schlicht Grundlagenforschung in der Mikrowelt zu betreiben. In Zukunft greifen sie vielleicht einfach zum Elektronengriffel.
© (Ausschnitt)
Im Großen ist es einerlei, ob eine elektrische Leitung im Zickzack gebogen ist, oder ob sie ein paar lose Abzweigungen besitzt. Die Ladungsträger fließen stoisch von A nach B, solange der Stromkreis geschlossen bleibt. Im Kleinen sieht die Welt jedoch ganz anders aus. Hier macht sich die Quantennatur von Elektronen bemerkbar, sodass Ringstrukturen, Ecken und Kanten sowie freie Leiterenden sehr wohl einen Effekt bewirken.
Gerade diese Eigenarten von Strukturen im Nanokosmos wollen sich Physiker zunutze machen, um beispielsweise einen Quantencomputer herzustellen. Doch die Herstellung der Nanostrukturen ist häufig ein mühseliges Unterfangen. Denn meist sind dazu recht aufwändige lithographische Methoden und Dutzende von Prozessschritten nötig. Das nimmt nicht nur Zeit in Anspruch, sondern macht die Strukturen auch anfällig für Fehler. Identische Nanogebilde herzustellen, deren Eigenschaften sich direkt vergleichen lassen, ist also häufig ein Glücksspiel.
Das es auch einfacher geht – zumindest, wenn es gilt, Quantenschaltkreise zu entwerfen –, zeigt das Physikerteam um Rolf Crook von der University of Cambridge. Die Forscher nutzen ein Rasterkraftmikroskop (atomic force microscopy, AFM) dazu, die gewünschten Strukturen zu schreiben. Und soll einmal der komplette Schaltkreis gelöscht werden, reicht es einfach, rotes Licht einzuschalten. Mit ihrer Methode können die Forscher außerdem direkt, ohne die Probe aus der schützenden Versuchsapparatur nehmen zu müssen, mit elektrischen Messungen beginnen. Für Korrekturen lässt sich das AFM gleichsam wie ein Radiergummi benutzen.
Auch im Detail ist das Prinzip vergleichsweise simpel. So verwenden die Forscher ein gängiges Trägermaterial, bestehend aus mehreren Lagen der Halbleiter Galliumarsenid und Aluminium-Gallium-Arsenid, Physiker sprechen hierbei auch von einer Halbleiter-Heterostruktur. Während die Galliumarsenid-Oberfläche dieses Schichtpakets bei tiefen Temperaturen elektrisch isolierend ist, befindet sich aufgrund der Schichtabfolge nur wenige Nanometer darunter eine gut leitende Zone – das so genannte zweidimensionale Elektronengas (2DEG).
Dieses 2DEG ist die Spielwiese der Forscher, hier können sie sich nach Belieben verewigen und zwar einfach, indem sie an der Oberfläche Elektronen absetzen oder aufnehmen. Denn da der Abstand sehr gering ist, können die negativen Oberflächen-Ladungen Elektronen im 2DEG abstoßen und so auf einen bestimmten Raum lokalisieren. Werden Elektronen auf der Oberfläche hingegen entfernt, dann können sich darunter die negativen Ladungsträger tummeln.
Die Oberflächenladungen lassen sich einfach mit einer negativen Spannung zwischen Galliumarsenid und der elektrisch leitfähigen Spitze des AFM absetzen. Eine entsprechende positive Spannung nimmt die Elektronen auf. Allerdings funktioniert das ganze Prinzip nur bei tiefen Temperaturen von gerade mal 20 Millikelvin, da sonst die Elektronen in der oberen Isolatorschicht nicht still am Platz verharren würden. Das ist aber nicht unbedingt ein Nachteil, da auch die elektrischen Messungen von Quantenschaltkreise bei tiefen Temperaturen stattfinden, um den störenden Einfluss höherer Temperaturen auszuschließen.
Einzig die Prozessgeschwindigkeit ist durch das zeilenweise arbeitende AFM beschränkt. Hier sind optische Lithographie-Methoden, bei denen auf einmal beispielsweise durch eine Maske belichtet wird, im Vorteil. Aber dergleichen ist auch für die neue Methode denkbar, die die Forscher auf erasable electrostatic lithography (EEL) tauften. Schließlich lassen sich die Ladungen an der Oberfläche mit Licht wieder austreiben, nichts spricht dagegen, auch diesen Prozess selektiv durch eine Maske zu vollziehen – mal davon abgesehen, dass sich damit nicht das Auflösungsvermögen eines AFM erreichen ließe.
Wie auch immer, wirklich langsam ist das Verfahren durch das Einsparen von Prozessschritten ohnehin nicht: "Einige einfache Strukturen lassen sich schon innerhalb einer Minute zeichnen", erklärt Crook. Und so freut sich der Physiker über die neuen Möglichkeiten, welche die Methode bietet.
Gerade diese Eigenarten von Strukturen im Nanokosmos wollen sich Physiker zunutze machen, um beispielsweise einen Quantencomputer herzustellen. Doch die Herstellung der Nanostrukturen ist häufig ein mühseliges Unterfangen. Denn meist sind dazu recht aufwändige lithographische Methoden und Dutzende von Prozessschritten nötig. Das nimmt nicht nur Zeit in Anspruch, sondern macht die Strukturen auch anfällig für Fehler. Identische Nanogebilde herzustellen, deren Eigenschaften sich direkt vergleichen lassen, ist also häufig ein Glücksspiel.
Das es auch einfacher geht – zumindest, wenn es gilt, Quantenschaltkreise zu entwerfen –, zeigt das Physikerteam um Rolf Crook von der University of Cambridge. Die Forscher nutzen ein Rasterkraftmikroskop (atomic force microscopy, AFM) dazu, die gewünschten Strukturen zu schreiben. Und soll einmal der komplette Schaltkreis gelöscht werden, reicht es einfach, rotes Licht einzuschalten. Mit ihrer Methode können die Forscher außerdem direkt, ohne die Probe aus der schützenden Versuchsapparatur nehmen zu müssen, mit elektrischen Messungen beginnen. Für Korrekturen lässt sich das AFM gleichsam wie ein Radiergummi benutzen.
Auch im Detail ist das Prinzip vergleichsweise simpel. So verwenden die Forscher ein gängiges Trägermaterial, bestehend aus mehreren Lagen der Halbleiter Galliumarsenid und Aluminium-Gallium-Arsenid, Physiker sprechen hierbei auch von einer Halbleiter-Heterostruktur. Während die Galliumarsenid-Oberfläche dieses Schichtpakets bei tiefen Temperaturen elektrisch isolierend ist, befindet sich aufgrund der Schichtabfolge nur wenige Nanometer darunter eine gut leitende Zone – das so genannte zweidimensionale Elektronengas (2DEG).
Dieses 2DEG ist die Spielwiese der Forscher, hier können sie sich nach Belieben verewigen und zwar einfach, indem sie an der Oberfläche Elektronen absetzen oder aufnehmen. Denn da der Abstand sehr gering ist, können die negativen Oberflächen-Ladungen Elektronen im 2DEG abstoßen und so auf einen bestimmten Raum lokalisieren. Werden Elektronen auf der Oberfläche hingegen entfernt, dann können sich darunter die negativen Ladungsträger tummeln.
Die Oberflächenladungen lassen sich einfach mit einer negativen Spannung zwischen Galliumarsenid und der elektrisch leitfähigen Spitze des AFM absetzen. Eine entsprechende positive Spannung nimmt die Elektronen auf. Allerdings funktioniert das ganze Prinzip nur bei tiefen Temperaturen von gerade mal 20 Millikelvin, da sonst die Elektronen in der oberen Isolatorschicht nicht still am Platz verharren würden. Das ist aber nicht unbedingt ein Nachteil, da auch die elektrischen Messungen von Quantenschaltkreise bei tiefen Temperaturen stattfinden, um den störenden Einfluss höherer Temperaturen auszuschließen.
Einzig die Prozessgeschwindigkeit ist durch das zeilenweise arbeitende AFM beschränkt. Hier sind optische Lithographie-Methoden, bei denen auf einmal beispielsweise durch eine Maske belichtet wird, im Vorteil. Aber dergleichen ist auch für die neue Methode denkbar, die die Forscher auf erasable electrostatic lithography (EEL) tauften. Schließlich lassen sich die Ladungen an der Oberfläche mit Licht wieder austreiben, nichts spricht dagegen, auch diesen Prozess selektiv durch eine Maske zu vollziehen – mal davon abgesehen, dass sich damit nicht das Auflösungsvermögen eines AFM erreichen ließe.
Wie auch immer, wirklich langsam ist das Verfahren durch das Einsparen von Prozessschritten ohnehin nicht: "Einige einfache Strukturen lassen sich schon innerhalb einer Minute zeichnen", erklärt Crook. Und so freut sich der Physiker über die neuen Möglichkeiten, welche die Methode bietet.
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