Verdrahtete Quantenpunkte

Viele moderne Technologien nutzen Materialien mit verringerter Dimensionalität, wie dünne Schichten (2D), Nanodrähte (1D) oder Quantenpunkte (0D). Bei der Herstellung solcher Strukturen, ihrer Charakterisierung als auch deren Anwendung wurden innerhalb der letzten 30 Jahre große Erfolge erzielt. Selten jedoch kam dabei eine Kombination dieser Nanostrukturen weder in der Forschung noch bei Anwendungen zum Einsatz. In diesem Forschungsantrag soll nun durch die Zusammenarbeit von drei Forschungsgruppen aus der Schweiz, Österreich und Deutschland, die Möglichkeit eben eine solche Kombination von Nanostrukturen für zukünftige Anwendungen untersucht werden. Die Kombination von Nanodrähten und Quantenpunkten soll zu Materialien mit neuen Eigenschaften und Funktionalitäten führen. Die Synthese solcher "verdrahteter Quantenpunkte" basiert auf einer Phasentrennung die zu Inhomogenitäten innerhalb der Nanodrähte führt. Drei viel versprechende Ansätze werden innerhalb des geplanten Forschungsprojektes untersucht: (i) die direkte Synthese von unstöchiometrischen Nanodrähten, (ii) eine nachträgliche Ionenimplantation in Nanodrähte über die Löslichkeitsgrenze hinaus und (iii) eine thermisch induzierte lokale Phasenumwandlung. Die daraus resultierenden verdrahteten Quantenpunkte werden mittels Elektronenmikroskopie, Röntgenstrahlbeugung und Ramanspektroskopie charakterisiert und die daraus gewonnenen Ergebnisse zu einer weiteren Optimierung der Synthese herangezogen. Der Hauptfokus dieses Projektes liegt aber auf der Untersuchung der Wechselbeziehung zwischen der Struktur und der Funktionalität der verdrahteten Quantenpunkte, besonders im Hinblick auf neue elektronische und photonische Eigenschaften. In weiterer Folge soll basierend auf diesen verdrahteten Quantenpunkten ein Prototyp einer lichtemittierenden Diode und eines elektrischen Speicherbauteils realisiert werden.

Halbleiter-Nanodrähte stellen aufgrund ihrer ausgezeichneten optischen und elektronischen Eigenschaften eine vielversprechende Klasse nanostrukturierter Halbleiter dar. Diese ermöglichen auch die Integration von direkten und daher optisch aktiven III-V Verbindungshalbeitern in die ausgereifte Si-Plattform, die heute für dünne Schichten nur auf einige Materialien beschränkt und mit aufwendigen Prozessen erreicht werden kann. Solche Hybridstrukturen wie es etwas III-V-Nanokristalle oder Quantenpunkte in Si-Nanostrukturen darstellen, ermöglichen neue Bauteilkonzepte für eine breite Palette von High-Speed-Elektronik und High-Performance-Photonik.Innerhalb des österreichischen Teils des Wiring quantum dots Projektes wurden zwei Prozesse für die Herstellung solcher verdrahteter III-V Quantenpunkte realisiert. Dies konnte einerseits durch Ionenimplantation über die Löslichkeitsgrenze hinaus und anschließender kontrollierter Phasenumwandlung durch ultraschnelles Annealen, und andererseits durch ein thermisch induzierte Diffusion an Si Nanodraht/Metallkontakten erzielt werden. Damit konnten wir erstmalig die monolithische Integration von InAs, InP, GaAs und InGaAs-Quantenpunkten in VLS gewachsene Si-Nanodrähte über ultraschnelle Flüssigphasen-Epitaxie demonstrieren. Die Kristallinität sowohl der Quantenpunkte als auch der Nanodrähte konnte durch TEM und Raman-Spektroskopie eindeutig nachgewiesen werden. Photolumineszenzuntersuchungen belegten weiterhin die gute optische Qualität der InAs, InP und GaAs Quantenpunkte und zuletzt konnte mit einer Ga-GaAs-Si-Nanodrahtheterostruktur auch Elektrolumineszenz gezeigt werden. Der Einbau dieser optisch aktiven Quantenpunkte führte auch zu einer erhöhten Lichtabsorptions in den Nanodraht-Heterostrukturen was insbesondere für Photo-voltaikanwendungen von besonderem Interesse ist. Im Rahmend der Prozessoptimierung, insbesondere der Implantation hoher Ionendosen in Nanostrukturen konnten wir, in enger Zusammenarbeit mit dem deutschen Projektpartner, eine bisher unbekannte plastische Verformung von Si nachweisen, die in Bulkmaterial so nicht auftritt. Damit haben wir in guter Übereinstimmung mit umfangreichen theoretischen Studien, den veränderten Sputter-response von Materialien bei geometrischen Beschränkungen in Nanostrukturen direkt nachweisen können. Mit dem zweiten Verfahren also der thermisch induzierten Diffusion an Si Nanodraht/Metallkontakten konnten wir eine axiale Metall/Halbleiter/Metall Nanodraht-Heterostruktur mit atomar scharfer Grenzfläche realisieren. Neben dem bemerkenswerten Bildungsprozess an deren Aufklärung wir derzeit intensiv mit Martien den Hertog vom Inst. NEEL - CNRS in Grenoble arbeiten konnten wir durch die Integration dieser Heterostrukturen in FETs sowohl Stoßionisation als auch elektrostatisch gesteuert negativen differentiellen Widerstand selbst bei Raumtemperatur zeigen.