Realstrukturcharakterisierung hierarchisch gegliederter quantum dots molecules und double quantum rings
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In den vergangenen Jahren gab es an Synchrotron-Teilchenbeschleunigern weltweit eine starke technische Weiterentwicklung hin zu stärkerer Strahlfokussierung, höherer Brillianz, verbesserter Stabilität und neuen zweidimensionalen Detektoren. Im vorliegenden Projekt wurden diese neuen technischen Möglichkeiten zur Untersuchung von Halbleiter- Nanostrukturen, so genannten Quantenpunktmolekülen genutzt. Nanostrukturen haben in mindestens einer Richtung eine Ausdehnung von nur wenigen Nanometern, sodass es zu Quanteneffekten kommen kann. Treten diese Effekte bei Objekten auf, deren räumliche Ausdehnung in allen drei Raumrichtungen eingeschränkt ist, spricht man von Quantenpunkten. Bei sehr geringen Abständen zwischen zwei oder mehr Quantenpunkten wiederum nennt man diese „Quantenpunktmoleküle“, englisch quantum dot molecules (QDM). Für Quantenpunktmoleküle werden Anwendungen vor allem im Bereich optischer Bauelemente oder auch der Einsatz in Quantencomputern diskutiert. Herstellung und Funktion der Quantenpunkte und Quantenpunktmoleküle hängt unter anderem von deren Materialzusammensetzung und Verspannungen ab und diese Eigenschaften sind Ziel aktueller Forschung. Dazu stellte dieses Grundlagenforschungs- Projekt einen Beitrag dar. Untersucht wurden QDM aus Indium-Gallium-Arsenid und auch so genannte Doppelquantenringe (DQR). Letztere, ebenfalls wenige hundert Nanometer messenden Objekte, entstehen aus Gallium-Tröpfchen auf einer Wafer-Oberfläche. Bei bestimmten Temperaturen verändern sich diese Tröpfchen in einer Arsendampf-Atmosphäre zunächst zu Ringen und im weiteren Verlauf zu Doppelringen, bestehend aus einem äußeren und einem inneren Ring. Als zerstörungsfreie Methode bot sich Röntgenbeugung zur Untersuchung der Form, Anordnung und der Spannungen sowie der lokalen Materialzusammensetzung der Halbleiterkristalle an. Hierbei kamen Nanofokus-Röntgenbeugung und Beugung von Röntgenstahlen unter streifendem Einfall zum Einsatz. Diese Methoden sind sensitiv auf Atomabstände in den Kristallen und eignen sich auch zur Analyse der sehr kleinen Materialausdehnungen. Bei Nanofokus-Röntgenbeugung kann die Wafer-Oberfläche mit einem wenige hundert Nanometer feinen Röntgenstrahl abgerastert und Beugungsbilder örtlich aufgelöst interpretiert werden. Hundert Nanometer entsprechen einem Tausendstel des Durchmessers eines menschlichen Haares. Aufgrund der geringen Größe der Objekte und des Röntgenstrahls sind derartige Experimente eine große Herausforderung und derzeit nur an großen Synchrotron-Forschungseinrichtungen möglich. Die Messungen dieses Projektes fanden daher am europäischen Synchrotron ESRF in Grenoble statt. Gezeigt werden konnte in dem Projekt, dass die Kristallgitter der Indium-Gallium-Arsenid- QDMs entlang einer bestimmten Richtung verspannt sind, woraus sich Bedingungen für die Herstellung der QDM ableiten lassen. Durch Vergleich der experimentellen Daten und Beugungssimulationen wurde auch nachgewiesen, dass sich Position und Anordnung der Quantenpunkte im QDM durch Streuung im Wafer unter den QDM untersuchen lässt, sodass ein viel schwerer zu detektierendes Signal der QDM selbst nicht dafür nötig ist. Über Streusimulationen waren auch Rückschlüsse auf den Indiumgehalt der QDM möglich. Experimente an den DQR ergaben, dass innerhalb der Ringe k eine Dehnung der Kristallgitter vorliegt, die auf Spannungen hinweisen würden. Für elektronische Anwendungen der Strukturen ist es meist nötig, sie mit weiteren Halbleiterschichten zu überwachsen. Untersucht wurden daher neben unbedeckten auch überwachsene DQR. Gezeigt wurde hier allerdings, dass sich nach dem Überwachsen keine Ringe mehr mittels Röntgenbeugung nachweisen ließen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Diffuse X-Ray Scattering at Low-Dimensional Nanostructures. In: Mechanical Stress on the Nanoscale, M. Hanbuecken et al. (Eds.) Wiley-VCH, Weinheim (2011) ISBN (978-3-527-41066-8), p. 259-74
M.Hanke
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Scanning x-ray nanodiffraction: from the experiment towards spatially resolved scattering simulations. Nanoscale Res. Lett. 7, 553 (2012)
M. Dubslaff, M. Hanke, J. Patommel, R. Hoppe, C.G. Schroer, S. Schöder, M. Burghammer
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XTOP Conference 2012, Sankt Petersburg (Russland), September 2012
M. Dubslaff, M. Hanke, S. Schoeder, M. Burghammer, T. Boeck, J. Patommel
