Woran wird am PDI geforscht?

Maßgeschneiderte Materialien

Die elektronischen Eigenschaften von Festkörpern können an Oberflächen und in Nanostrukturen stark vom Verhalten im ausgedehnten Kristall abweichen. Sie reagieren empfindlich auf Verzerrungen und Verspannungen der Gitterstruktur. Wir nutzen dies, um an Grenzflächen zwischen Materialien mit unterschiedlichen strukturellen Parametern die elektronische Struktur ganz definiert einzustellen. So erhalten wir Systeme mit besonderer elektronischer oder optischer Funktionalität. Für dieses Materialdesign auf der Nanoskala ist das Verständnis komplizierter Wachstumsvorgänge eine Grundvoraussetzung.

Das PDI hat sich sein hohes internationales Renommée insbesondere in der Herstellung von geordneten Halbleiterschichten erworben, die als Verbindung aus Elementen der chemischen Gruppen III und V entstehen. Dabei können am Institut Materialien kombiniert werden, die aufgrund ihrer stark unterschiedlichen Struktur unter gewöhnlichen Umständen kaum stabil sind. In dieser sogenannten (extremen) Heteroepitaxie liegt eine Stärke des Instituts.

Für die Forschung am PDI sind vor allem Strukturen interessant, deren Abmessung in mindestens einer Raumrichtung wenige atomare Abstände beträgt.

Hochmoderne mikroskopische Techniken erlauben Untersuchungen der Struktur mit so hoher Auflösung, dass schon Rauhigkeiten in der Grenzfläche sichtbar werden, die in der Größenordnung der Atomabstände liegen. Dies wird durch ein breites Spektrum optischer spektroskopischer Techniken ergänzt, mit der die Materialien untersucht werden.

Materialien der Zukunft

Die Entwicklung der Halbleiterindustrie erfolgt aus wirtschaftlichen Gründen seit vielen Jahren gemäß dem Moore´schen Gesetz, wonach alle zwei Jahre die Zahlder Transistoren auf einem Chip verdoppelt wird. Dies zwingt die Industrie, Halbleiterstrukturen kontinuierlich zu verkleinern. Doch irgendwann kommt die Mauer, durch die kein Durchkommen ist: Irgendwann sind die Bauelemente so stark verkleinert, dass die Prinzipien der klassischen Physik durch die der Quantenmechanik überlagert und abgelöst werden. Eine einfache Skalierung der Bauelemente ist dann nicht mehr möglich – die Funktionsprinzipien werden grundsätzlich anders.

Der Wunsch nach immer höherer Leistungsfähigkeit und die Forderung nach geringerem Stromverbrauch treibt die Suche nach neuen Materialien und Funktionalitäten, um dieser Skalierungsfalle zu entkommen.

Eine unserer sechs zentralen Forschungsrichtungen befasst sich beispielsweise mit Fragen zur sogenannten Spintronik, bei der nicht nur die elektrische Eigenschaft des Elektrons (seine Ladung), sondern auch seine magnetischen Eigenschaften (sein Spin) als Informationsträger herangezogen werden. Vereinfacht ist klar: Ließen sich Ladung und Spin getrennt verarbeiten, hätte man eine Verdopplung der Informationsdichte. Am PDI wird daran gearbeitet, möglichst viele Elektronen mit vorgegebenem Spin in einen Halbleiter zu bringen. Dies wird nun immerhin mit einer Effizienz von über 50 % erreicht. Durch neue Konzepte und ungewöhnliche Materialkombinationen hoffen wir, dies deutlich zu steigern.

Aber auch das Ausnutzen der dritten Dimension für neue Halbleiterstrukturen ist ein vielversprechender Ansatz. Aktuell wird untersucht, unter welchen Umständen sich Nitride und Arsenide in selbstorganisiertem Wachstum zu Nanodrähten ausbilden, wie die Größe dieser Drähte eingestellt werden kann und wie innerhalb dieser Drähte Strukturen als Grundlage für elektronische Bauelemente integriert werden können. Vielleicht lassen sich hieraus neue Ansätze für dreidimensionale Bauelemente erkennen?

Ferner interessiert uns, wie sich die kleinsten nur denkbaren Nanodrähte – Drähte aus einer Kette von einzelnen Atomen – verhalten. Dies ist eine fundamentale Frage, die im Tieftemperaturlabor mit  Rastertunnelmikroskopen untersucht wird. Am PDI können Drähte unterschiedlicher Materialien Atom für Atom aufgebaut und ganz lokal auf die elektronischen Eigenschaften untersucht werden .