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Einzelelektronenpumpe auf Basis von einzelnen Dotieratomen

28.11.2016

Einzelelektronenpumpen transportieren einzelne Elektronen mit hoher Frequenz und erzeugen so einen quantisierten Strom. Die PTB ist bereits führend in der Herstellung und Vermessung solcher Einzelelektronenpumpen aus Galliumarsenid. Nun konnte ein neuartiger Typ einer Einzelelektronenpumpe durch Nutzung einzelner Dotieratome in Silizium-basierten Nanostrukturen realisiert werden.

 

 

Im Rahmen des europäischen Forschungsprojekts "Silicon at the Atomic and Molecular Scale" (SiAM) werden von der PTB und den europäischen Projektpartnern Einzelelektronenpumpen auf der Basis von Silizium untersucht. Da diese in einem industriellen Fertigungsprozess hergestellt werden, auf dessen Basis auch aktuelle Computerchips gefertigt werden, lässt sich die Dotierung in den Nanostrukturen sehr genau einstellen. Dies ermöglicht es, einzelne Dotieratome gezielt zu untersuchen und für Elektronenpumpen einzusetzen. Diese Dotieratome bieten Eigenschaften, die sich mit rein lithographischen Methoden nicht realisieren lassen.


An der PTB wurde nun erstmals eine Einzelelektronenpumpe realisiert, bei der die Kopplung eines lithographischen Quantenpunkts an die Zuleitungen nur durch Dotieratome in den Barrieren bestimmt wird. Dies ermöglicht neue Betriebsformen für die Einzelelektronenpumpe, da die Kopplung nicht graduell, sondern sehr scharf ein- und ausgeschaltet werden kann. Zusammen mit den Projektpartnern von der University of Latvia und dem CEA Grenoble konnten die Vorgänge genau untersucht und verstanden werden. Es wurden verschiedene Modelle zum Verständnis von Dotieratom-basierten Einzelelektronenpumpen entwickelt. Weiterhin konnte eine neue Methode zur Charakterisierung solcher Nanostrukturen entwickelt und an mehreren Proben getestet werden.


Durch die enge Zusammenarbeit mit den Projektpartnern konnte das SiAM-Projekt erfolgreich zum Abschluss gebracht werden. Aufgrund der guten Erfahrungen ist eine Fortsetzung der Kooperation geplant, so dass auch in Zukunft Silizum-basierte Nanostrukturen an der PTB untersucht werden sollen.

 

Bandstruktur während des Pump-Prozesses

Abbildung: Schematische Darstellung der Bandstruktur während des Pump-Prozesses. Die Dotieratome innerhalb der Barrieren bilden scharfe Resonanzen aus (dargestellt in rot). Nur mit Hilfe dieser Resonanzen können Elektronen (blaue Punkte) die mittlere Insel erreichen oder verlassen. Durch geeignete Änderung der Steuerspannungen wird zunächst (1) ein Elektron von der einen Seite (S) geladen, dann (2) isoliert und anschließend (3) zur anderen Seite (D) ausgeworfen.