In der Elektronik werden Komponenten immer kleiner. Nun heben Forscher der Michigan State University die Arbeit mit den winzigsten Bestandteilen von Halbleitermaterialien auf eine atomare Ebene. Mit einer neuen Technologie können die Wissenschaftler einzelne Atome in Halbleitern mit beispielloser Präzision lokalisieren, was die Entwicklung elektronischer Geräte der nächsten Generation revolutionieren könnte.
Forschung im Atombereich
Die in der Fachzeitschrift Nature Photonics veröffentlichte Studie konzentriert sich auf die Erkennung von „Defekten“ – absichtlich hinzugefügten Atomen, die eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der Elektronenbewegung in Halbleitermaterialien spielen. So können Materialien wie Galliumarsenid optimiert werden, das in Radarsystemen, hocheffizienten Solarzellen und modernen Telekommunikationsgeräten verwendet wird. Hierfür nutzte das Team um Physiker Tyler Cocker eine Technik, die hochauflösende Mikroskopie mit ultraschnellen Lasern kombiniert. „Diese nanoskopischen Materialien sind die Zukunft der Halbleiter“, so Cocker in einer Pressemitteilung. „Bei nanoelektronischen Bauteilen ist es äußerst wichtig sicherzustellen, dass sich Elektronen so bewegen, wie man es möchte.“ Gemeint sind etwa hochmoderne Computerchips. Forscher arbeiten schon jetzt daran, die Architektur im Nanomaßstab auf die Spitze zu treiben, indem sie Materialien entwickeln, die nur ein Atom breit sind.
Zunächst analysierten die Forscher die Materialien mit einem Rastertunnelmikroskop (STM). „Im Gegensatz zu den Mikroskopen, die viele aus dem naturwissenschaftlichen Unterricht in der Schule kennen, verwenden STMs keine Linsen und Glühbirnen zur Vergrößerung von Objekten“, erklären sie in der Mitteilung. „Vielmehr tasten STMs die Oberfläche einer Probe mit einer atomar scharfen Spitze ab, fast so wie die Abtastnadel eines Plattenspielers. Die STM-Spitze berührt jedoch nicht die Oberfläche der Probe, sondern kommt nur nahe genug heran, damit Elektronen zwischen der Spitze und der Probe springen oder tunneln können.“
Frequenz lässt Atom lokalisieren
Auch, wenn sich so zahlreiche Informationen einsehen lassen, klappt diese Beobachtung nicht immer. Insbesondere Siliziumatome auf Galliumarsenidproben benötigen eine andere Herangehensweise. „Das Siliziumatom sieht für die Elektronen im Grunde wie ein tiefes Schlagloch aus“, so Cocker. So wussten die Wissenschaftler zwar, dass ihre selbst hinzugefügten Atome vorhanden sein mussten, allerdings konnten sie nicht nachvollziehen, wo genau sie lokalisiert waren und damit den Elektronenfluss beeinflussten.
Die Lösung des Problems lag in Terahertz-Laserpulsen, die auf die Spitze des Mikroskops gerichtet wurden. Diese Terahertz-Pulse schwingen mit der gleichen Frequenz wie Silizium-Atom-Defekte innerhalb einer Galliumarsenid-Probe. Die Ergebnisse waren beeindruckend. Die Resonanz erzeugt ein deutliches Signal, wenn die STM-Spitze auf einen Defekt trifft, wodurch die Forscher dessen genaue Position mit atomarer Präzision bestimmen können. Cocker erklärt: „Hier war dieser Defekt, nach dem die Leute über vierzig Jahre lang gesucht haben, und wir konnten ihn wie eine Glocke läuten sehen. Zunächst war es schwer zu glauben, weil es so deutlich ist. Wir mussten es in jeder erdenklichen Weise messen, um sicher zu sein, dass dies real war.“
Die Anwendungen dieser neuen Technik gehen laut den Wissenschaftlern weit über die bloße Identifizierung von Defekten hinaus. Sie eröffnet neue Möglichkeiten zur Analyse einer breiten Palette von Materialien auf atomarer Ebene und könnte damit die Entwicklung effizienterer und leistungsfähigerer elektronischer Geräte beschleunigen.