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Die Forschung am PDI

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 Renommee 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 Rauigkeiten 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 Mooreschen Gesetz, wonach alle zwei Jahre die Zahl der 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.


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.

 

Device Inspiring Research

 

Vor 25 Jahren konnte man für einen PC kaum eine Festplatte kaufen, die mehr als 2 Gigabyte Speicherkapazität hatte – heute erhält man leicht die tausendfache Kapazität - für einen Bruchteil des Preises. Damals waren Leuchtdioden schwache, üblicherweise rot leuchtende, Bauelemente, die im Wesentlichen für Anzeigeelemente benutzt wurden, heute sind sie gleißend hell und beginnen, die Glühbirne zu ersetzen.

 

Die Revolution beim Speicherplatz und das Ersetzen der Beleuchtungstechnik sind nicht das Ergebnis schlichter Optimierung einer bestehenden Technik – Leuchtdioden wurden nicht entwickelt, weil man Glühbirnen optimierte – sie sind Folgen grundlegender physikalischer Entdeckungen und darauf aufbauender technologischer Entwicklungen.

 

Insofern wird man mit einer strikten Trennung zwischen Anwendungsforschung, die zuweilen als Optimierung vorhandener Technologien missverstanden wird und Grundlagenforschung, der etwas Akademisches anhaftet, der Realität technologischer Neuerung nicht gerecht. Es ist die Kombination aus grundlegender Erweiterung des Naturverständnisses und der Suche nach Anwendungspotential, die zu wahren Innovationen führt.

 

Diese Sicht motiviert auch die Forscher am Paul-Drude-Institut. Das Institut sieht seine Aufgabe zwar in der materialwissenschaftlichen Grundlagenforschung, die aber dadurch motiviert wird, dass sie eben auch Anwendungen für die Informations- und Kommunikationstechnologie inspirieren kann und soll. Die Arbeiten zielen einerseits auf ein grundlegendes Verständnis der Festkörperphysik in nanostrukturierten Materialkombinationen. Andererseits werden aber aus diesem Verständnis Konzepte für neue Anwendungen entwickelt und getestet. Wir nennen dies Device Inspiring Research.

 

Im Idealfall ergibt sich aus den fundamentalen Erkenntnissen über die elektronischen, optischen und strukturellen Eigenschaften von ungewöhnlichen Materialkombinationen eine Idee für eine neue Anwendung, oder eine neue Lösung für ein altes Problem. Das Institut sieht sich damit zwischen den klassischen Polen Anwendungsforschung und Grundlagenforschung ideal positioniert.

Pressekontakt

Dr. Carsten Hucho

Abteilungsleiter

Telefon: +49 30 20377-359

E-Mail: hucho@pdi-berlin.de