Kopplung von Nanotrompete mit Quantenpunkt erlaubt exakte Positionsbestimmung

Medienmitteilung der Universität Basel vom 14.07.2017

Wissenschaftlern aus dem Netzwerk des Swiss Nanoscience Institutes und des Departement Physik der Universität Basel ist es gelungen, einen winzig kleinen Quantenpunkt mit einem tausendfach grösseren trompetenförmigen Nanodraht zu koppeln. Über die Wellenlänge des Lichts, das vom Quantenpunkt ausgesendet wird, lässt sich die Bewegung des Nanodrahtes mit einer Empfindlichkeit von 100 Femtometern detektieren. Umgekehrt kann durch Anregung des Quantenpunktes mit einem Laser die Schwingung des Nanodrahtes beeinflusst werden. «Nature Communications» hat die Ergebnisse veröffentlicht.

Die Teams um Professor Richard Warburton und Argovia-Professor Martino Poggio vom Departement Physik und dem Swiss Nanoscience Institute der Universität Basel konnten zusammen mit Kollegen von der Universität Grenoble und des CEA in Grenoble einen mechanischen Resonator von Mikrometergrösse mit einem nanometergrossen Quantenpunkt koppeln. Sie verwendeten dazu Nanodrähte aus Galliumarsenid, die etwa 10 Mikrometer lang sind und oben einen Durchmesser von wenigen Mikrometern besitzen. Die Drähte laufen nach unten spitz zu und sehen daher wie winzige, auf dem Substrat aufgereihte Trompeten aus. In der Nähe der nur etwa 200 Nanometer breiten Basis platzierten die Wissenschaftler einen einzelnen Quantenpunkt, der einzelne Lichtteilchen (Photonen) aussenden kann.

Schwingungen führen zu Spannungen

Schwingt nun der Nanodraht aufgrund einer thermischen oder elektrischen Anregung hin und her, führt die verhältnismässig grosse Masse am breiten Ende der Nanotrompete zu recht grossen Spannungen im Draht, die sich auf den Quantenpunkt an der Basis auswirken. Die Quantenpunkte werden zusammengequetscht und auseinandergezogen. Daraufhin verändert sich die Wellenlänge und damit die Farbe der vom Quantenpunkt ausgesendeten Photonen. Die Veränderungen sind zwar nicht besonders gross, doch eigens für derartige Messungen in Basel entwickelte sensible Mikroskope mit sehr stabilen Lasern sind in der Lage, die Wellenlängenveränderungen präzise zu erfassen.

Die Forscher können aus den veränderten Wellenlängen die Bewegung des Nanodrahtes mit einer Empfindlichkeit von nur 100 Femtometern detektieren. Sie erwarten, dass sich umgekehrt durch Anregung des Quantenpunktes mit einem Laser, die Schwingung des Nanodrahtes je nach Wunsch vergrössern oder verringern lässt.

Anwendungen in der Sensorik und Informationstechnologie denkbar

«Uns fasziniert vor allem, dass eine Kopplung zwischen Objekten von so unterschiedlicher Grösse möglich ist», bemerkt Professor Richard Warburton. Es gibt aber auch vielfältige Anwendungsmöglichkeiten dieser gegenseitigen Kopplung. «Wir können diese gekoppelten Nanodrähte beispielsweise als sensible Sensoren zur Analyse von elektrischen oder magnetischen Feldern einsetzen», erläutert Argovia-Professor Martino Poggio, der mit seinem Team verschiedene Anwendungen von Nanodrähten untersucht. «Denkbar ist ebenfalls, mehrere Quantenpunkte auf dem Nanodraht zu platzieren, diese über die Bewegung miteinander zu verbinden und so Quanteninformation weiterzugeben», ergänzt Richard Warburton, dessen Gruppe den vielfältigen Einsatz von Quantenpunkten in der Photonik im Fokus hat.

Künstliche Atome mit besonderen Eigenschaften

Quantenpunkte sind Nanokristalle, die auch künstliche Atome genannt werden, da sie sich ähnlich wie Atome verhalten. Mit einer typischen Ausdehnung von 10 – 100 Nanometern sind sie deutlich grösser als natürliche Atome. Ihre Grösse und Form sowie die Zahl der enthaltenen Elektronen lässt sich variieren. In den Quantenpunkten sind Elektronen in ihrer Bewegungsfreiheit deutlich eingeschränkt. Die daraus resultierenden Quanteneffekte verleihen ihnen ganz besondere optische, magnetische und elektrische Eigenschaften. So sind Quantenpunkte beispielsweise in der Lage nach einer Anregung einzelne Lichtteilchen (Photonen) auszusenden, die dann mithilfe eines massgeschneiderten Lasermikroskops erfasst werden können.

Originalartikel:
Mathieu Munsch, Andreas V. Kuhlmann, Davide Cadeddu, Jean-Michel Gérard, Julien Claudon, Martino Poggio, and Richard J. Warburton
Resonant driving of a single photon emitter embedded in a mechanical oscillator
Nature Communications (2017) | DOI: s41467-017-00097-3

Externer Link: www.unibas.ch

Energiesparen mit einem Tüpfelchen Silber

Presseinformation der LMU München vom 15.05.2017

In Zukunft können außer Elektronen auch Lichtteilchen Computer steuern. Als Lichtleiterbahnen testen Forscher Ketten aus Goldnanopartikeln. LMU-Forscher zeigen, wie ein Tüpfelchen Silber beim Rechnen mit Licht enorm Energie sparen könnte.

Heutige Rechner sind schnell und klein wie nie zuvor. So wird die neueste Transistorengeneration Strukturgrößen von nur zehn Nanometer aufweisen. Um in diesen Dimensionen noch schneller und auch energiesparender zu werden, schalten und walten im Computer vermutlich bald Lichtteilchen statt Elektronen. Der Fachbegriff lautet „Optischer Computer“.

Glasfasernetze nutzen schon heute Licht, um Daten schnell und möglichst verlustfrei über weite Strecken zu transportieren. Die dünnsten Kabel besitzen jedoch Durchmesser im Mikrometer-Bereich, denn die Lichtwellen mit Wellenlängen um einen Mikrometer müssen ungehindert schwingen können. Für die Datenverarbeitung auf einem Mikro- oder gar Nanochip ist daher ein komplett anderes System nötig.

Eine Möglichkeit wäre, Lichtsignale über sogenannte Plasmonenschwingungen weiterzuleiten. Dabei regt ein Lichtteilchen (Photon) die Elektronenwolke eines Gold-Nanopartikels zum Oszillieren an. Diese Wellenbewegung pflanzt sich mit immerhin rund zehn Prozent der Lichtgeschwindigkeit über eine Kette von Nanopartikeln fort. Somit sind zwei Ziele erreicht: Nanometer-Dimension und enorme Geschwindigkeit. Bleibt der Energieverbrauch. Und der wäre im Fall einer reinen Gold-Kette durch starke Wärmeentwicklung ähnlich hoch wie in klassischen Transistoren.

Eine Art Vermittler

Tim Liedl, Professor für Physik an der LMU und Wissenschaftler im Exzellenzcluster Nanosystems Initiative Munich (NIM), beschreibt mit Kollegen von der Ohio University jetzt in der Fachzeitschrift Nature Physics, wie Silber-Nanopartikel den Energieverbrauch deutlich senken können. Die Physiker bauten eine Art Mini-Teststrecke von rund 100 Nanometern Länge aus drei Nanopartikeln: Vorne und hinten je ein Gold-Nanopartikel und ein Silber-Nanopartikel genau in der Mitte.

Das Silber dient hier als eine Art Vermittler zwischen den Goldpartikeln, ohne dass in ihm Energie verloren geht. Um das Plasmon des Silberpartikels in Schwingung zu versetzen, wäre eine höhere Anregungsenergie nötig als für Gold. Und so „umfließt“ die Energie dieses Partikel lediglich. „Der Transport wird über die Kopplung der elektromagnetischen Felder um die sogenannten Hot Spots vermittelt, die jeweils zwischen den beiden Goldpartikeln und dem Silberpartikel entstehen“, erklärt Tim Liedl. „So kann die Energie fast verlustfrei weitergereicht werden und das auf der Femtosekundenskala.“

Entscheidende Voraussetzung für die Versuche war, dass Tim Liedl und seine Kollegen Spezialisten im punktgenauen Platzieren von Nanostrukturen sind. Erst die dazu angewandte „DNA-Origami-Methode“ ermöglicht es, verschiedene kristallin gewachsene Nanopartikel in definiertem Nano-Abstand nebeneinander zu setzen. Bisherige Versuche dieser Art nutzten herkömmliche Lithographietechniken, die insbesondere für verschiedenartige Metalle nebeneinander nicht die notwendige räumliche Präzision liefern.

Parallel zu den Experimenten simulierten die Physiker den Versuch per Computer und fanden ihre Messergebnisse bestätigt. Neben klassischen Elektrodynamiksimulationen konnte Alexander Govorov, Professor für Theoretische Physik an der Ohio University, Athens, USA, und Koautor der Arbeit, auch ein einfaches quantenmechanisches Modell aufstellen: „In diesem Modell stimmen das klassische und das quantenmechanische Bild sehr gut überein, was es als mögliches Beispiel in Unterrichtsbüchern qualifiziert.“ (NIM/LMU)

Publikation:
Nature Physics 2017

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Mikroprozessor aus einer Schicht von nur drei Atomen

Presseaussendung der TU Wien vom 12.04.2017

Mikroprozessoren auf Basis von atomar dünnem Material versprechen, neben der Weiterentwicklung klassischer Prozessoren, auch neue Anwendungen im Bereich von flexibler Elektronik. Einem Forschungsteam der TU Wien rund um Thomas Müller gelang in einem aktuellen Forschungsprojekt nun ein Durchbruch auf diesem Gebiet.

Zweidimensionale Materialien –  kurz 2D-Materialien – sind sehr vielseitig einsetzbar obwohl – oder oft gerade weil – sie aus nur einer einzigen oder wenigen Schichten von Atomen bestehen. Das wohl bekannteste 2D-Material ist Graphen. Molybdändisulfid (eine drei-atomar dicke Schicht aus Molybdän und Schwefel-Atomen) gehört ebenfalls in diese Kategorie, besitzt im Gegensatz zu Graphen jedoch Halbleitereigenschaften. Dr. Thomas Müller vom Institut für Photonik der TU Wien forscht mit seinem Team an 2D-Materialien und sieht diese als zukunftsträchtige Alternative für die Herstellung von Mikroprozessoren und anderen integrierten Schaltkreisen.

Das Ganze und die Summe seiner Teile

Mikroprozessoren sind aus einer modernen Welt nicht mehr wegzudenken und allgegenwärtig. Ohne ihre ständige Weiterentwicklung wären viele inzwischen alltäglich erscheinende Dinge (Computer, Mobiltelefone, Internet, …)  nicht realisierbar. Silizium, das von Beginn an für ihre Herstellung verwendet wird, stößt jedoch langsam aber sicher an seine physikalischen Grenzen. Ein vielversprechender Kandidat für seine Ablöse findet sich in 2D-Materialen, unter anderem Molybdändisulfid. Während einzelne Transistoren, die grundlegendsten Bauteile jeder digitalen Schaltung, aus 2D-Materialien schon seit der Entdeckung von Graphen 2004 erforscht werden, konnten komplexere Strukturen nur äußerst beschränkt realisiert werden. Bisher gelang lediglich die Herstellung einzelner digitaler Bauelemente aus einigen wenigen Transistoren. Für einen eigenständig funktionierenden Mikroprozessor benötigt man jedoch erheblich komplexere Schaltkreise und vor allem auch deren perfektes Zusammenwirken.

Thomas Müller und sein Team haben es nun erstmalig geschafft dies zu realisieren. Das Resultat ist ein 1-bit Mikroprozessor, bestehend aus 115 Transistoren auf einer Fläche von rund 0,6 mm2, der einfache Programme ausführen kann. „Während das im Vergleich mit Industriestandards auf Basis von Silizium natürlich äußerst bescheiden wirkt, ist es doch ein großer Durchbruch für dieses Forschungsfeld. Der ‚Proof of Concept‘ ist geschafft, einer Weiterentwicklung steht im Prinzip nichts im Weg“, so Stefan Wachter, Dissertant in der Forschungsgruppe von Dr. Müller. Doch nicht nur die Materialwahl war für den Erfolg des Forschungsprojektes ausschlaggebend. „Wir haben uns auch die Dimensionierung der einzelnen Transistoren genau überlegt“, erklärt Müller. „Die exakten Verhältnisse der Transistorgeometrien in einem grundlegenden Schaltungsbauteil sind kritisch für die Realisier- und Kaskadierbarkeit komplexerer Einheiten.“

Zukunftsaussichten

Natürlich braucht es für einen praktischen Einsatz dieser Technologien noch deutlich leistungsfähigere und komplexere Schaltkreise mit tausenden oder gar Millionen von Transistoren. Eine der größten Herausforderungen in diesem Forschungsfeld ist derzeit noch die Reproduzierbarkeit und Ausbeute bei der Herstellung der verwendeten Transistoren, denn sowohl die eigentliche Herstellung der 2D-Materialien als auch die Methoden für deren Weiterverarbeitung stecken noch in den Kinderschuhen. „Da unsere Schaltkreise im Labor quasi in ‚Handarbeit‘ gefertigt werden sind derartig komplexe Designs natürlich für uns kaum realisierbar, da jeder einzelne der Transistoren wie geplant arbeiten muss um die Funktion des gesamten Prozessors zu gewährleisten“, betont Müller die immensen Anforderungen an moderne Elektronik. Mit industriellen Methoden könnten jedoch in den nächsten Jahren durchaus einige neue Anwendungsgebiete für diese Technologie entstehen, sind die Forscher überzeugt. Ein Beispiel für ein solches wäre flexible Elektronik, wie sie für medizinische Sensoren oder biegsame Displays benötigt wird. Hier sind die 2D-Materialien dem klassischen Silizium aufgrund ihrer deutlich größeren mechanischen Flexibilität weit überlegen. (Christine Cimzar-Egger)

Originalpublikation:
Stefan Wachter, Dmitry K. Polyushkin, Ole Bethge, Thomas Mueller
A microprocessor based on a two-dimensional semiconductor.
Nature Communications | DOI: 10.1038/NCOMMS14948

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Seltene Erden: Wasserabweisend erst durch Altern

Medienmitteilung der Universität Basel vom 22.03.2017

Oberflächen, die mit chemischen Verbindungen aus Seltenen Erden beschichtet werden, entwickeln erst durch den Kontakt mit Luft wasserabweisende Eigenschaften. Dabei kommt es bereits bei Raumtemperatur zu chemischen Reaktionen mit Kohlenwasserstoffen, die sich in der Umgebungsluft befinden. Dass diese Reaktionen für den hydrophoben Effekt verantwortlich sind, berichten Forscher der Universität Basel, des Swiss Nanoscience Institute und des Paul Scherrer Instituts im Wissenschaftsjournal «Scientific Reports».

Seltene Erden sind Metalle, die erstmals in seltenen Mineralien gefunden wurden. Sie werden heute unter anderem in Autokatalysatoren und Batterien eingesetzt, zur Produktion von Bildschirmen oder Leuchtmitteln benötigt oder als Kontrastmittel in der Magnetresonanztomografie verwendet. Durch ihre vielseitigen Einsatzmöglichkeiten sind Seltene Erden begehrt, und ihr Bedarf steigt ständig.

Zusätzliche Anwendungen für Seltene Erden eröffneten sich, als 2013 amerikanische Forscher berichteten, dass Oberflächen, die mit den Oxiden seltener Erden beschichtet werden, von sich aus wasserabweisende Eigenschaften besitzen.

Wissenschaftler der Universität Basel, des Swiss Nanoscience Institute und des Paul Scherrer Instituts haben die hydrophoben Eigenschaften nun zusammen mit der Firma Glas Trösch im Experiment detailliert untersucht.

Hydrophob erst nach chemischer Reaktion

Dazu beschichteten sie Glasplatten mit Oxiden, Nitriden und Fluoriden von Seltenen Erden und analysierten, wie gut sie sich mit Wasser benetzen lassen.

Bei frisch hergestellten Beschichtungen konnten die Forscher zunächst keine hydrophoben Eigenschaften feststellen. Erst chemische Reaktionen mit gasförmigen Kohlenwasserstoffen, die sich in der Umgebungsluft befinden, verleihen den Oberflächen eine erhöhte Rauheit und verringern die Benetzbarkeit mit Wasser.

Die gasförmigen organischen Verbindungen aus der Umgebungsluft werden zunächst an der Oberfläche adsorbiert und reagieren dann mit den Oxiden zu Karbonaten und Hydroxiden bis die Oberfläche komplett mit diesen Verbindungen bedeckt ist. Dieser Prozess findet bereits bei Raumtemperatur statt.

«Wir waren überrascht, dass erst das Altern der Oberfläche den wasserabweisenden Effekt hervorruft», kommentiert Prof. Ernst Meyer vom Departement Physik der Universität Basel die Ergebnisse des Projekts, das von der Kommission für Technologie und Innovation (KTI) unterstützt wurde. Aus wissenschaftlicher Sicht ist das sehr aufschlussreich, da auch katalytische Prozesse oft bei Raumtemperatur ablaufen und es daher wichtig ist, die physikalischen Eigenschaften der Oberfläche zu verstehen.

Für eine industrielle Produktion wasserabweisender Glasoberflächen eignen sich die untersuchten Materialien allerdings offensichtlich nicht, da erst eine aufwendige Lagerung der Gläser erforderlich wäre, bevor sie die gewünschten wasserabweisenden Charakteristika ausweisen.

Originalbeitrag:
Elçin Külah, Laurent Marot, Roland Steiner, Andriy Romanyuk, Thomas A. Jung, Aneliia Wäckerlin, & Ernst Meyer
Surface chemistry of rare-earth oxide surfaces at ambient conditions: reactions with water and hydrocarbons
Scientific Reports (2017), doi: 10.1038/srep43369

Externer Link: www.unibas.ch

Zuverlässiger molekularer Kippschalter entwickelt

Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 09.03.2017

Neue Dimensionen bei der Verkleinerung elektronischer Bauteile – Schalter kann beliebig oft betätigt werden – Zukünftig hunderfach kleinere Schaltkreise möglich

Die Nanotechnologie macht immer neue Miniaturrekorde möglich. Doch der Verkleinerung elektronischer Bauteile sind physikalische Grenzen gesetzt, die bald erreicht sein werden. Neuartige Materialien und Bauelemente sind gefragt. Hier setzt die molekulare Elektronik an. Wissenschaftlern des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) ist es jetzt gelungen, einen molekularen Kippschalter zu entwickeln, der nicht nur in der gewählten Position verbleibt, sondern den man auch beliebig oft umlegen kann. Das berichten sie in der Fachzeitschrift Nature Communications.

Indem herkömmliche siliziumbasierte Bauteile wie hier ein Schalter durch einzelne Moleküle ersetzt werden, könne man zukünftig elektronische Schaltkreise konstruieren, die sich mehr als hundertfach enger auf einen Chip integrieren lassen, sagt Lukas Gerhard vom Institut für Nanotechnologie.

Das Grundgerüst des elektromechanischen Molekülschalters besteht aus nur wenigen Kohlenstoffatomen. Drei Schwefelatome bilden die Füße, die auf einer glatten Goldoberfläche fixiert sind. Der Kipphebel endet in einer Nitrilgruppe mit einem Stickstoffatom. Umgelegt wird er, indem eine Spannung angelegt wird und durch das resultierende elektrische Feld eine Kraft auf die Ladung des Stickstoffatoms ausgeübt wird. Dadurch wird Kontakt zu einer zweiten Elektrode (hier der Goldspitze eines Rastertunnelmikroskops) hergestellt.

Der gesamte Schalter misst gerade mal einen Nanometer. Zum Vergleich: Allein die kleinsten in der Halbleitertechnik verwendeten Strukturen haben eine Größe von zehn Nanometern. „Die molekulare Elektronik wäre also ein sehr großer Fortschritt“, sagt Gerhard.

Bemerkenswert ist indes nicht nur die Größe des Schalters, sondern vor allem, dass er zuverlässig und vorhersehbar arbeitet. Das heißt, eine Betätigung führt immer eindeutig zu einem Schaltzustand, der Kontakt ist also entweder offen oder geschlossen. Bislang scheiterte die Umsetzung dieses Prinzips oft daran, dass die elektrische Kontaktierung einzelner Moleküle nur unzureichend kontrollierbar war. Den KIT-Forschern ist es jetzt erstmalig geglückt, einen solchen Kontakt zwischen Molekül und Goldspitze elektrisch und mechanisch beliebig oft zu öffnen und zu schließen, ohne dass plastische Verformungen auftraten.

Der Fortschritt in der synthetischen Chemie habe zwar dazu geführt, dass eine große Vielfalt von unterschiedlichen molekularen Bausteinen in milliardenfacher, Atom für Atom identischer Ausfertigung bereitgestellt werden könne, so Gerhard. „Um sie aber miteinander verschalten zu können, muss man sie so schonend berühren können, dass sie dabei nicht beschädigt werden.“ Darin, dass eine so schonende Verfahrensweise nun erstmals gelungen sei, sieht er die entscheidende Neuerung.

Die vorliegende Arbeit ist in einer engen Zusammenarbeit zwischen experimentellen Physikern und Chemikern des Instituts für Nanotechnologie am KIT und der Universität Basel und theoretischen Physikern der Universität Konstanz entstanden. (mex)

Externer Link: www.kit.edu