Verzerrungscharakterisierung auf der Nanoskala in Erbium-dotiertem Silizium

• Antragsteller: Dr. Kevin-Peter Gradwohl; Professor Dr. Andreas Reiserer
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 569053293

Die Charakterisierung der Verzerrungen in Silizium-Bauelementen auf Nanoskala ist sowohl für die klassische als auch für die Quanteninformationsverarbeitung von großer Bedeutung. Verzerrung kann dabei entweder als zu überwindende Inhomogenität betrachtet oder als Mittel zur Wechselwirkung zwischen Quantensystemen genutzt werden. Etablierte Charakterisierungsmethoden, die auf Röntgenstreuung basieren, erreichen jedoch nicht die erforderliche räumliche Auflösung im Nanometerbereich. Dieses Problem wird im NaSCEr-Projekt durch die Messung der spannungsinduzierten Frequenzverschiebung von Erbium-Emittern in implantierten Silizium-Nanostrukturen überwunden. Die Ziele des Projekts sind: 1) Die Erzeugung von Siliziumschichten mit kontrollierter Spannung und minimaler Inhomogenität durch das Wachstum von isotopenreinem 28Si und 28Si76Ge-Heterostrukturen. 2)Die Quantifizierung der spannungsinduzierten Niveaushifts einzelner Erbium-Emitter in Silizium-Nanostrukturen mittels hochauflösender Spektroskopie. 3) Das Verständnis der durch optische Anregung von Erbium in Silizium induzierten Spannungen. 4) Die Charakterisierung der Spannungsrelaxation in photonischen Kristallbauelementen auf der Nanoskala. Das Projekt umfasst eine anspruchsvolle Reihe von Nanofabrikationsprozessen und Messungen, die nur durch die Bündelung der Expertise des Konsortiums realisierbar werden. Dazu gehören das Wachstum isotopenreiner Silizium-Dünnschichten (K. Gradwohl), die Integration von Erbium in Silizium-Nanostrukturen (A. Reiserer) sowie die Charakterisierung und Modellierung von Emittern in Kristallen unter Spannung (T. Chanelière). Eine erfolgreiche Umsetzung des Projekts würde das Verständnis des Er:Si-Systems erheblich verbessern, das als vielversprechende Plattform für die Quanteninformationsverarbeitung gilt. Darüber hinaus würden neue Erkenntnisse über die Spannungsrelaxation in nanoskaligen Bauelementen gewonnen – von ultra-kleinen Transistoren bis hin zu Quantenpunkt-Bauelementen. Schließlich könnte die Realisierung von spin-gekoppelten nanomechanischen Systemen auf Basis von Er:Si ermöglicht werden, was einen bedeutenden Schritt in Richtung des lang ersehnten Ziels der nichtlinearen Optomechanik darstellen würde.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Kooperationspartner: Dr. Thierry Chanelière