Infrarot und Nanodrähte - wenn das Licht zu "dick" ist

23.07.2009: Wie sieht der PC in 20 Jahren aus? Fließen Elektronen auch durch atomar-nanoskopische Drähte? Bisher hält der Trend zu immer kleineren Strukturen ungebrochen an, doch die Möglichkeit zur Miniaturisierung ist endlich: Auf atomar-nanoskopischer Skala ändern sich ihre Eigenschaften grundlegend. Was passiert dann, und wie kann man Eigenschaften wie z.B. die Leitfähigkeit messen?

Der Fortschritt in der heutigen Halbleitertechnologie ist, größenbedingt, endlich: zu klein geht nicht, das ist ein Prinzip der Quantenphysik. Damit entsteht Bedarf nach neuen, anders aufgebauten Bauelementen als die derzeit üblichen Halbleiter. Schalter und Drähte mit atomar nanoskopischen Durchmesser sind gesucht. Intensiv getestet werden Moleküle und metallische Nanodrähte. Indium-Atomketten auf Siliziumoberflächen bilden solche Nanodrähte und sind sogar schaltbar sind zwischen einer mehr leitfähigen und einer weniger leitfähigen Variante. Trotz intensiver experimenteller und theoretischer Untersuchungen seit einigen Jahren war jedoch bis dato sowohl ihre Struktur, also die Anordnung der Indium-Atome, als auch ihre elektrische Leitfähigkeit unklar.

Experimentalphysikern am ISAS und Trinity College Dublin ist es nun in einer gemeinsamen Anstrengung mit Theoretischen Physikern an der FSU Jena und Uni Paderborn gelungen, Licht in diese ungelöste Angelegenheit zu bringen: Infrarotes Licht. Das treibt die leitfähigen Elektronen an und ermöglicht es, anhand des Spektrums des reflektierten Lichtes zu "sehen", ob die Elektronen beweglich, also leitfähig, oder gebunden, also isolierend sind. Was sich einleuchtend anhört, ist experimentell schwierig: Infrarotes Licht hat eine Wellenlänge von 10 µm, mehr als 10.000-mal größer als die Nanodrähte dick sind. Deren Eigenschaften zu "sehen" und quantitativ zu erfassen hatte daher mit IR(Infrarot)-Spektroskopie zuvor noch niemand geschafft.

Die Wissenschaftler konnten mit ihrer optimierten Methode jetzt nachweisen, dass die Nanodrähte wirklich leitfähig oder isolierend sind und geschaltet werden z. B. durch die Temperatur. Der Clou dabei: Alle Untersuchungen funktionieren ohne die Verwendung von äußeren Kontakten, die aufgrund der Größe kaum angebracht werden können ohne die Nanodrähte ernsthaft zu beeinflussen.

Gewonnen ist damit nicht nur eine Basis für das grundlegende physikalische Verständnis der Nanodrähte, sondern auch eine neue Untersuchungsmethode, mit der sich solche Nanostrukturen zerstörungsfrei analysieren lassen. Und das dürfte noch interessant werden - und könnte eine vielversprechende Antwort auf die zukünftige Entwicklung von PCs liefern.

Originalveröffentlichung: S. Chandola et al.; "Structure of Si(111)-In Nanowires Determined from the Midinfrared Optical Response"; Physical Review Letters 2009, 102, 226805