Quantenpunkte in Zinkoxid-Nanodrähten

Leipziger Physikern ist es gelungen, Quantenpunkte in Zinkoxid-Nanodrähte einzubauen.

Forschern um den Physiker Marius Grundmann von der Universität Leipzig ist es gelungen, Quantenpunkte in Zinkoxid (ZnO)-Nanodrähte einzubauen, dies anhand der optischen Emission nachzuweisen und in Zusammenarbeit mit einer Gruppe des National Center of Scientific Research Demokritos in Athen auch die mikroskopischen Ursachen der Quantenpunktbildung aufzuklären.

Quantenpunkte sind nur wenige Nanometer große Kristalle, in denen Elektronen eingesperrt sind. Leipziger Physikern ist es nun gelungen, solche Quantenpunkte in Zinkoxid (ZnO)-Nanodrähte einzubauen. Seit einigen Jahren arbeiten die Wissenschaftler um Marius Grundmann, Direktor des Instituts für Experimentelle Physik II, und Koordinator des Europäischen Exzellenznetzes für Halbleiter-Quantenpunkte (SANDiE) an der Lösung dieses Problems. „Nun ist es gelungen, auch wenn wir im konkreten Fall zunächst Quantenschichten angestrebt haben“, freut sich Grundmann.

Damit ist der Weg für neue technische Anwendungen offen. „Der Einbau der Quantenpunkte in ZnO-Nanodrähte wird die direkte Stromzufuhr an die Quantenpunkte erlauben und öffnet damit den Weg für neuartige nanoskopische Lichtquellen“, sagt Marisu Grundmann. „Diese könnten zukünftig für Anwendungen in der Quanteninformationstechnologie zum Beispiel als Quelle für polarisierte Einzelphotonen verwendet werden.“

Den Prinzipien der Quantenmechanik folgend, bewirkt die scharfe räumliche Lokalisation der Elektronen einen Impuls und damit eine kinetische Energie. Diese konnte als Erhöhung der Photonenenergie von den Leipziger Forschern beobachtet werden. „Man sieht hier direkt die Konsequenzen aus der Heisenbergschen Unschärferelation“, erklärt MariusGrundmann.

Sein Doktorand Christian Czekalla, der im Rahmen der Graduiertenschule BuildMoNa von Marius Grundmann und Jürgen Haase gemeinsam betreut wird, hat die Nanodrähte im Detail spektroskopisch untersucht. Hierzu nutzte er in Zusammenarbeit mit Kollegen des CNRS in Grenoble dortige Forschungsaufenthalte, um mit hoher räumlicher und spektraler Auflösung einzelne Nanodrähte zu vermessen. Dabei fand er die spezielle Quantenpunkt-Emission, die sich durch große spektrale Schärfe auszeichnet. So konnte ein Effekt nachgewiesen werden, den man nicht erwartet hatte.

„Es sollte eine dünne Schicht ZnO zwischen den magnesiumhaltigen Schichten entstehen, die als elektronische Barriere wirkt und die Elektronen im ZnO einzwängt. Die ZnO Nanodrähte wurden dazu mittels einer neu aufgebauten Apparatur für Gepulste Laserdeposition (PLD) bei für PLD ungewöhnlich hohen Drücken (etwa 100 mbar) in Leipzig hergestellt. Auf die ZnO-Nanodrähte wurde eine Materialabfolge von Magnesium-Zinkoxid, Zinkoxid und nochmals Magnesium-Zinkoxid abgeschieden“, sagt der Leiter der PLD, Michael Lorenz. Auf flachen Substraten und großen Flächen wird dieser Prozess von den Leipziger Halbleiterphysikern gut beherrscht. „Auf den Nanodrähten ist aber keine zusammenhängende Schicht gewachsen, sondern es sind Quantenpunkte entstanden“ so Michael Lorenz.

In Zusammenarbeit mit einer Gruppe des National Center of Scientific Research Demokritos in Athen, die auf Transmissions-Elektronenmikroskopie spezialisiert ist, wurden auch die mikroskopischen Ursachen der Quantenpunktbildung aufgeklärt.


Quelle: Uni Leipzig

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  C. Czekalla et al., Spatial fluctuations of optical emission from single ZnO/MgZnO nanowire quantum wells, Nanotechnology 19(11), 115202 (2008).
  http://dx.doi.org/10.1088/0957-4484/19/11/115202
  http://www.uni-leipzig.de/~grundm/paper_grdm/NT_19_115202_2008.pdf (frei!)
• Halbleiterphysik-Gruppe an der Uni Leipzig:
  http://www.uni-leipzig.de/~hlp/
• Self-Assembled semiconductor Nanostructures for new Devices in photonics and Electronics – SANDiE:
  http://www.sandie.org