Arbeitsgruppe Bauelementphysik

Aktuelle Forschungsthemen:

 

Licht-Emission und -Detektion im nm-Bereich

Photonen sind die denkbar schnellsten Träger von Information. Aus diesem Grund hat die Glasfaseroptik in den letzten Jahrzehnten bei längeren und mittleren Kommunikationswegen die elektrischen Verbindungen weitgehend verdrängt. Im nächsten Schritt dieser Entwicklung werden elektrische Verbindungen auch für kurze Distanzen durch optische Wellenleiter ersetzt werden, um einen schnelleren Transfer von Daten auf einem Chip, z.B. zwischen Prozessor und Speicher zu erzielen.
Wir arbeiten derzeit an der Entwicklung von elektrisch betriebenen Licht-Emittern und Detektoren mit Abmessungen im nm-Bereich und deren Integration in Wellenleiter/Baulement-Strukturen.

Ein vielversprechendes Material für die Optoelektronik sind einwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen, die elektrisch zur Lichtemission angeregt werden können. Je nach Typ des Nanoröhrchens (metallisch oder halbleitend) und Betriebsmodus erfolgt die Lichtemission schmalbandig (Elektrolumineszenz) oder breitbandig (Glühen).
Wir platzieren mittels eines elektrischen Felds (Dielektrophorese) in einem Lösungsprozess hergestellte Kohlenstoff-Nanoröhrchen in lithographisch vordefinierte Strukturen. Mit diesem Ansatz konnten wir eine effiziente Ankopplung des emittierten Lichts aus einem elektrisch-stimulierten Kohlenstoff-Nanoröhrchen in photonische Schaltkreise demonstrieren [3]. Wir untersuchen des Weiteren auch die Elektrolumineszenz von Nanoröhrchen-Molekül-Nanoröhrchen-Kontakten [4].

Graphen ist ein weiteres für Optoelektronik interessantes Nano-Kohlenstoff-Material, das ebenfalls elektrisch zur Lichtemision angeregt werden kann. Da es hier jedoch keine Energie-Bandlücke gibt, fällt die Emission breitbandig aus, es sei denn, man schneidert die photonische Modendichte entsprechend zu, sodass nur Licht eines spezifischen Wellenlängenbereichs nach außen gelangt. Wir realisierten eine solche optische Einschränkung durch Integration eines Graphen-Transistors in eine Mikrokavität und induzierten elektrisch-stimulierte schmalbandige thermische Lichtemission [5]. Wir untersuchten des Weiteren auch das Glühen von nanokristallinem Graphen, das sich leichter herstellen lässt als kristallines Graphen [6].

Als Gegenstück zu unseren Lichtemissionsarbeiten untersuchten wir auch das Potential von Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Graphen für Lichtdetektion auf der Nanoskala. Je nach Typ des Kohlenstoff-Nanoröhrchens wurden Photoströme in einem schmalen oder breiten Wellenlängenbereich erzeugt, was eine Perspektive für nanoskalige, auf einem Chip in einem Wellenleiter integrierte Wandlern eröffnet. Wir untersuchten die Photostrom-Reaktion von mit einem Lösungsprozess hergestellten Kohlenstoff-Nanoröhrchen [7], Graphen [5], nanokristallinem Graphen [6] und Nanoröhrchen-Molekül- und Graphene-Molekül-Hybridstrukturen.

 

Abb. 1:  Schematische Darstellung wie durch Anlagen einer Drain-Biasspannung thermische Lichtemission erzeugt wird und wie diese thermische Strahlung an die optische Hohohlraummode ankoppelt [5].
Abb. 2:   Schematische Darstellung des Messaufbaus: Ein fokussierter Lichtstrahl mit variabler Wellenlänge wird entlang eines von metallischen Kontakten begrenzten Kohlenstoff-Nanoröhren-Films geführt [7].

Graphen-basierte Bauelemente

Wir sind an verschiedenen Aspekten der Physik von Graphen interessiert, von seinen grundlegenden Eigenschaften bis zu möglichen Amwendungen. So untersuchen wir mesoskopische Effekte in Graphen-basierten Systemen wie van-der-Waals-Heterostructuren. Wir beschäftigen uns aber auch mit Ansätzen für neue Typen von elektronischen Bauelementen, die in reale elektrischen Schaltkreisen eingesetzt werden können. Wir erforschen die Möglichkeiten, unsere Graphen-Feldeffekt-Transistoren auf Saphir-Substraten [10][11] als Mikrowellverstärker einzusetzen. Wir untersuchen den Ladungstransport bei Millikelvin-Temperaturen, in starken Magnet- und Mikrowellenfeldern. Wir erforschen, ob sich in Graphen-basierten Bauelementen exzitonische Kondensate beobachten lassen oder ob man damit extrem sensitiv Ladung detektieren kann.

Einige Interessensgebiete:

- Elektronischer Transport und Rauscheigenschaften

- Graphen-van-der-Waals-Heterostrukturen

- Über den Proximity-Effekt induzierbare Supraleitung

- Nur aus Kohlenstoff in sp2-Konfiguration aufgebaute Schaltkreise

- Graphen bei Mikrowellenfrequenzen

- Topologische Isolatoren