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Nanodraht mit Zebramuster

Von Rainer Scharf

Streifenförmig gemusterte Nanodrähte aus Halbleitermaterial, die je nach Muster unterschiedliche elektronische Eigenschaften haben, haben drei Forschergruppen in den USA und in Schweden hergestellt. Die nur einige Nanometer (millionstel Millimeter) dicken Drähte erscheinen gestreift, weil sie aus Abschnitten mit unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung aufgebaut sind. Aus den strukturierten Nanodrähten lassen sich extrem winzige Halbleiterbauelemente wie Dioden oder Leuchtdioden fertigen.

Die Nanodrähte bildeten sich auf etwa 10 Nanometer großen Goldclustern oder goldhaltigen Tröpfchen, die den Wachstumsprozess katalysierten. Zunächst wurde Halbeitermaterial, die Ausgangssubstanz für die Nanodrähte, mit Hilfe eines Laserstrahls verdampft. Der entstehende Dampf schlug sich an den Goldpartikeln nieder und kristallisierte. Dabei wuchs aus jedem Partikel einwinziger Kristallzylinder heraus, der dann zu einem homogenen Nanodraht heranwuchs. Gemusterte Drähte mit bis zu 21 Abschnitten unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung stellten die Forscher her, indem sie abwechselnd unterschiedliche Ausgangssubstanzen verdampften und auf den Goldpartikeln kondensieren ließen. Abhängig von der Dauer des Materialnachschubs waren die Abschnitte der Drähte zwischen einigen Nanometern und hundert Nanometern lang.

Auf diese Weise haben Charles Lieber und seine Kollegen von der Harvard University, USA, Nanodrähte herangezogen, in denen sich Abschnitte aus Galliumarsenid mit solchen aus Galliumphosphid abwechselten. Aber auch periodisch wechselnde Dotierungen längs eines Drahtes aus Silizium oder Indiumphosphid ließen sich so erreichen (1.). Am Nanometer Consortium der Universität von Lund, Schweden, hingegen haben Lars Samuelson und seine Kollegen Nanodrähte aus Indiumarsenid hergestellt, die Abschnitte aus Indiumphosphid enthielten (2.). Siliziumdrähte mit einem periodischen Muster aus germaniumhaltigen Streifen ließen Peidong Yang und seine Kollegen von der University of California in Berkeley, USA, wachsen (3.). Schon jetzt überrascht die große Vielfalt der bislang hergestellten Halbleiterüberstrukturen. Sie gestatten es, die elektronischen Eigenschaften der Drähte maßzuschneidern.

Die Untersuchungen zeigen auch, welche enormen Nutzungsmöglichkeiten in den gestreiften Nanodrähten stecken. Abgesehen davon, dass man sie als Barcodes zur Kennzeichnung mikroskopischer Materialproben einsetzen könnte, besitzen die Drähte interessante elektrische und elektrooptische Eigenschaften. So haben die Forscher um Charles Lieber einen Nanodraht aus Silizium untersucht, bei sich dem ein positiv dotierter Abschnitt an einen negativ dotierten anschloss. Aufgrund dieses p-n-Übergangs ließ der Draht den Strom in der einen Richtung durch, während er ihn in der anderen Richtung sperrte. Der Draht verhielt sich also wie eine Diode. Weitere Bauelemente wie z. B. Transistoren sollten sich ebenfalls aus gestreiften Nanodrähten herstellen und zu komplexen Schaltungen verknüpfen lassen. Außerdem eigenen sich die Drähte auch als Lichtsensoren, als Leuchtdioden oder als Einzelphotonenquellen.

Ein gestreifter Nanodraht könnte auch mehrere Quantenpunkte in einer Reihe tragen, in denen sich einzelne Elektronen fangen und ihre Spins miteinander in Wechselwirkung bringen ließen. Vielleicht werden solche "gepunkteten" Nanodrähte einmal Prototypen eines Quantencomputers. Doch selbst, wenn daraus nichts wird: Es gibt ohnehin genug potentielle Anwendungen für die gestreiften Nanodrähte. 

Literatur

1. Mark S. Gudiksen et al., Nature 415, 617-620 (2002)
http://www.nature.com/doifinder/10.1038/415617a

2. Yiying Wu et al., Nano Letters 2, 83-86 (2002)
http://pubs.acs.org/hotartcl/nalefd/2002/nl0156888_rev.html

3. M. T. Björk et al., Nano Letters 2, 87-89 (2002)
http://pubs.acs.org/hotartcl/nalefd/2002/nl010099n_rev.html
 

Weitere Links

Einführungstext von C. M. Lieber
http://pubs.acs.org/cgi-bin/jtextd?nalefd/asap/html/nl020289d.html

C. M. Liebers Gruppe in Harvard
http://cmliris.harvard.edu/

Peidong Yangs Gruppe in Berkeley
http://www.cchem.berkeley.edu/%7Epdygrp/main.html

Das Nanometer Consortium in Lund
http://www.nano.ftf.lth.se/index2.html

pro-physik.de v. 27.2.2002

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