Die Breite einer Bandlücke ist jetzt präzise einstellbar

Kontrolle ist eine immerwährende Herausforderung für Wissenschaftler, die immer nach dem perfekten Material und dessen optimaler Bearbeitung suchen. Das Ziel sind erforderliche Eigenschaften für eine vorgesehene Applikation.

Bild: Peter Allen
Das Bild zeigt einen Elektronenstrahl (violett), mit dem ein zweidimensionales Supergitter aus Quantenpunkten... mehr...

Eine enorme Herausforderung bei der Festlegung von Eigenschaften in einem Halbleiter ist die Beherrschung der Bandlücke. Wenn ein Material zum Beispiel mit einem Lichtimpuls angeregt wird, wird die Wellenlänge des emittierten Lichtes kürzer je breiter die Bandlücke ist. Je schmaler die Bandlücke, desto länger die Wellenlänge.

Da Elektronikgeräte immer kleiner werden, kommen deren Halbleitertransistoren zu einem Punkt, wo sie nicht mehr viel größer sind als ein Atom.

Die Transistoren können also nicht viel mehr kleiner werden. Um dieses Problem zu umgehen, versuchen Wissenschaftler, die einzigartigen Eigenschaften von atomaren Nano-Clusterarrays - bekannt als Quantenpunktsupergitter - für zukünftige Elektronikapplikationen nutzbar zu machen. Und hier ist Präzision von besonderer Bedeutung.

Neueste Forschung am "Department of Electrical and Computer Engineering" der UC Santa Barbara zeigt wichtige Fortschritte mit präzisen Supergitter-Materialien. Diese Ergebnisse von Professor Kaustav Banerjee und seinen Mitarbeitern wurden in "Nature Scientific Reports" veröffentlicht.

Mit einem fokussierten Elektronenstrahl erstellte das Forscherteam ein größeres Quantenpunkt-Supergitter, in dem jeder Quantenpunkt eine vorbestimmte Größe aufweist und sich auf einem atomdünnen, zweidimensionalen Halbleiterblatt aus Molybdändisulfid (MoS2) in einer genau definierten Position befindet.

Sobald der fokussierte Elektronenstrahl mit der MoS2-Monoschicht interagiert, verändert er den Bereich - der ungefähr einen Durchmesser von 1 nm aufweist - von einem halbleitenden in einen metallischen Zustand.

Die Quantenpunkte lassen sich mit einem Abstand von weniger als 4 nm anordnen. Sie bilden damit einen künstlichen Kristall - im Wesentlichen ein neues zweidimensionales Material, in dem sich die Bandlücke nach Wunsch von 1,8 eV bis 1,4 eV einstellen lässt.

Damit konnten Wissenschaftler zum ersten Mal ein großes, zweidimensionales Supergitter im Nanobereich entwickeln - ein atomares Cluster in einem geordneten Gitter - und zwar auf einem atomdünnen Material, in dem sowohl die Größe als auch die Anordnung der Quantenpunkte präzise festgelegt werden.

Jeder Quantenpunkt agiert wie ein Quantentopf, wo Elektronen-Fehlstellen-Aktivitäten erscheinen und wo alle Punkte in dem Gitter nahe genug zueinander sind, damit Interaktionen sicher stattfinden können.

Die Forscher sind in der Lage, die Abstände und Größen der Punkte zu variieren und damit die Bandlücke zu verändern, die wiederum die Wellenlänge des abgestrahlten Lichtes festlegt.

Ein Beispiel: Die Kombination von Kohlenstoffatomen erbringt nur zwei Resultate in dreidimensionaler Form: Grafit oder Diamanten.

Sie können nicht 'abgestimmt' werden und können nichts dazwischen bilden. Aber wenn sich die Atome präzise platzieren lassen, kann man ein Material mit gewünschten Eigenschaften realisieren.

Um die erreichte Kontrolle zu demonstrieren, produzierten die Forscher ein Bild mit den Buchstaben "UCSB", ausgelegt in einem Gitter aus Quantenpunkten. Mit unterschiedlichen Dosierungen des Elektronenstrahls leuchteten unterschiedliche Bildbereiche mit unterschiedlichen Lichtwellenlängen auf.

- von wr
 
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