Das Prinzip der Solarzelle ist seit vielen Jahren bekannt: Die Sonnenstrahlung befördert Elektronen auf ein höheres Energieniveau, löst sie so aus dem Atomverbund und Strom beginnt zu fließen. Eine neu entwickelte Methode ermöglicht es nun, einen solchen durch Licht erzeugten Photostrom in kleinsten Schaltkreisen zu charakterisieren.
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Dadurch konnten Wissenschaftler um Professor Alexander Holleitner von der Technischen Universität München zusammen mit Kollegen um Professor Jörg Kotthaus von der Ludwig-Maximilians-Universität München und Professor Peter Hänggi von der Universität Augsburg nun erstmals die räumlichen Wege so genannter photogenerierter Elektronen in nanoskaligen Schaltkreisen abbilden und analysieren.
Die Forscher von der universitätsübergreifenden Nanosystems Initiative Munich (NIM) berichten über ihre Ergebnisse in der Fachzeitschrift „Nano Letters“.
Quantenpunktkontakt als Kernstück der Methode
Das Kernstück der Methode bildet den Forschern zufolge ein so genannter Quantenpunktkontakt (QPC). Dabei handelt es sich um einen schmalen, elektrisch leitenden Kanal in einem Halbleiter-Schaltkreis. Die Wissenschaftler strukturierten den Kanal mit etwa 70 Nanometern derart schmal, dass er vergleichbar ist mit der Elektronenwellenlänge im Halbleitermaterial.
Der Trick dabei ist, dass immer nur ein Elektron durch den Kanal passt und man daher den elektrischen Strom mit hoher Präzision vermessen kann. In der neuen Studie wurde diese Methode nun erstmals auf photogenerierte Elektronen angewendet.
Elektronen laufen um die Ecke
Im Versuchsaufbau bringt statt der Sonne ein Laserstrahl die Elektronen in den angeregten Zustand. Anschließend werden diese photogenerierten Elektronen durch Einsatz des Quantenpunktkontakts charakterisiert. Dabei konnten die Wissenschaftler erstmals zeigen, dass photogenerierte Elektronen um freie Weglängen von einigen Mikrometern laufen können, ohne an Kristallatome zu stoßen.
Sie stellten zudem fest, dass die geometrische Form der Schaltkreise die Laufbahnen der Elektronen stark beeinflussen kann: Diese können sogar „um die Ecke“ laufen, indem sie an den Schaltkreis-Rändern reflektiert werden.
Viele Nutzungsmöglichkeiten
Die Erkenntnisse und Analysemöglichkeiten, die die neu entwickelte Methode liefert, sind für eine Reihe von Anwendungen von Bedeutung. Dazu gehört insbesondere die Weiterentwicklung elektronischer Bauteile, zum Beispiel Photodetektoren, Transistoren wie den „High electron mobility transistors“ (HEMT) sowie von Elementen, die den magnetischen Freiheitsgrad (Spin) von Elektronen zur Verarbeitung von Informationen nutzen.
(idw – Universität München, 18.10.2010 – DLO)
