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Die Nanotechnologie und nanostrukturierte Bauelemente werden als Innovationsmotoren des 21. Jahrhunderts angesehen. Ultradünne Schichten oder winzigste Kristalle zeichnen sich durch ungewöhnliche Eigenschaften aus und eröffnen neuartige elektronische Anwendungen. In diesem faszinierenden Forschungsfeld ist das Design nanoskaliger Materialien, Strukturen und Bauelemente, aber auch deren mikroskopisches Verständnis ein zentrales Anliegen. Herkömmliche Gebiete wie Mikro- und Optoelektronik werden immer mehr von Nanostrukturen geprägt, aber auch neue Forschungsgebiete, wie z.B. die Spintronik (Nutzung des Spins als Informationsträger im Halbleiter) oder die Quanteninformations-Technologie (Nutzung quantenmechanischer Eigenschaften für die Informationstechnik) sind entstanden.
In diesem Umfeld lassen sich die Forschungsaktivitäten am Lehrstuhl für Werkstoffe der Elektrotechnik in 3 Bereiche untergliedern:
Funktionsanalyse von mikro- und optoelektronischen Bauelementen
Moderne mikro- und optoelektronische Bauelemente enthalten Funktionsschichten und –strukturen, deren Abmessungen längst in den Sub-100 nm Bereich vorgedrungen sind. Methoden der Funktions- und Fehleranalyse müssen daher in der Lage sein, Stromfluss und Potenzialverteilung auf einer Nanometerskala zu erfassen.
Mit unterschiedlichen Methoden der Rastersonden-Mikroskopie (u.a. Kelvin-Force Mikroskopie, leitfähige Atomkraftmikroskopie, Strom-/Spannungskontrast-Messungen) untersuchen wir den Spannungsabfall und den Stromfluss sowohl in Leuchtdioden, Halbleiterlaserdioden und mikroelektronischen Schaltungen, aber auch zunehmend in nanoskaligen elektronischen Bauelementen, wie z.B. Nanopartikel-Sensoren oder Nanowhisker-Leuchtdioden. Durch geeignete Präparations- und Messtechniken sind wir in der Lage, sowohl vertikale als auch laterale Strom- und Spannungsverteilungen mit einer Ortsauflösung im Bereich weniger 10 nm zu bestimmen. Die am Lehrstuhl etablierten Techniken der hochauflösenden Elektronenmikroskopie und der Mikro-Optik erlauben zudem, strukturelle und optische Eigenschaften der Bauelemente zu analysieren.
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Nano-Optoelektronik und Quanteninformationstechnologie
Reduziert man die Größe von Halbleiterkristallen in allen drei Dimensionen auf wenige Nanometer spricht man von Quantenpunkten, deren Eigenschaften quantenmechanisch beschrieben werden müssen. Man erhält, analog zur elektronischen Struktur von Atomen, diskrete elektronische Energiezustände. Die veränderte elektronische Zustandsdichte, aber auch die Möglichkeit, die Bandlücke über die Größe solcher Strukturen einstellen zu können, eröffnet faszinierende Aspekte für innovative Anwendungen. Lichtemitter mit maßgeschneiderten Wellenlängen und Laserdioden mit geringerem Schwellenstrom und höherer Temperaturstabilität sind ebenso Beispiele wie Bauelemente, die einzelne Photonen ‚auf Bestellung’ liefern können oder in der Lage sind, einzelne Elektronen zu speichern. Die Adressierung und Verarbeitung einzelner Elektronen, Photonen oder Spins sind die Basis für eine neue Art der Informationstechnik, der Quanteninformationstechnologie. Hier werden quantenmechanische Eigenschaften von Teilchen, wie z.B. der Spin eines Elektrons, zur Darstellung von Information genutzt.
Wir untersuchen mittels Transmissions-Elektronenmikroskopie, zeit- und ortsaufgelöster optischer Spektroskopie und Rastersonden-Mikroskopie Halbleiter-Quantenobjekte, wie z.B. einzelne und gekoppelte Quantenpunkte oder Quantenstriche, aber auch Nanopartikel. Im Reinraum des Lehrstuhls geht es darum, Bauelementkonzepte für die Nano-Optoelektronik und Quanteninformations-Technologie auf der Basis von Quantenpunkten und Nanopartikeln zu entwickeln. Aktuelle Forschungsthemen sind Design, Herstellung und Charakterisierung eines Einzel-Spinspeichers bzw. einer Einzel-Photonenquelle auf Quantenpunktbasis sowie die Konzeption und Realisierung von Nanopartikel-Leuchtdioden für eine druckbare Optoelektronik.
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Hybridmaterialien für die Spintronik
In der herkömmlichen Mikroelektronik wird die Ladung von Elektronen als Informationsträger eingesetzt. Ein innovativer Ansatz der Informationstechnik nutzt neben der Ladung die quantenmechanische Eigenschaft ‚Spin’ von Ladungsträgern zur Darstellung von Information. Moderne Leseköpfe in Festplatten basieren u.a. auf der Tatsache, dass in nanometer-dünnen Ferromagnet-Isolator Schichtsystemen der Stromtransport von der relativen Ausrichtung zwischen Elektronenspin und Magnetisierung abhängt. Als Spintronik im engeren Sinn wird die Nutzung des Spins von Ladungsträgern in Halbleitern bezeichnet. Dies ermöglicht völlig neue Bauelementkonzepte. Zentrale Fragestellungen sind dabei Spin-Injektion, Spin-Lebensdauer und –Kohärenzzeit, Spin-Transport und Spin-Manipulation in Halbleitern.
Wir widmen uns neuartigen Materialien und Materialkombinationen mit dem Ziel, Konzepte zur lokalen Spin-Manipulation in Halbleitern zu erarbeiten. Zum einen werden magnetisch dotierte Halbleiter-Nanopartikel bzw. Quantenpunkte untersucht mit der Intention, Ladungsträgerspins über die magnetischen Dotieratome zu beeinflussen. Ein weiterer Ansatz liegt in der Entwicklung von mikro - und nanostrukturierten Hybridsystemen aus Ferromagneten und Halbleitern mit der Idee, über magnetische Streufelder die Spinzustände im Halbleiter auf einer Sub-Mikrometerskala zu manipulieren. Als Alternativansatz werden aktuell mikroskopische Leiterschleifen entwickelt, um lokale magnetische Felder zu erzeugen und damit Spinzustände im Halbleiter elektrisch schalten zu können. Die Forschungsaktivitäten am Lehrstuhl beinhalten das Design und die Entwicklung geeigneter mikro- und nanostrukturierter Systeme mittels Elektronenstrahl-Lithografie und nachfolgender Prozessierung im Reinraum und deren Analyse mit modernen Methoden der orts- und zeitaufgelösten Magnetooptik.
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