Synthese und Charakterisierung von verdrahteten Germanium Quantenpunkten

Abstract

Die fortschreitende Miniaturisierung der Mikroelektronik in Richtung Nanobereich hat in den vergangenen Jahren eine Vielzahl neuer Forschungsgebiete in der Quantenelektronik eröffnet. Nanostrukturen erlauben die Einführung neuer Funktionalitäten, welche die Entwicklung neuartiger Quantenbauelemente ermöglichen. Darüber hinaus können elektrische, optische und magnetische Eigenschaften durch gezieltes Engineering um einige Größenordnungen verbessert werden. Quantenpunkte zählen zu den bedeutendsten Nanostrukturen, da deren potentielle Anwendungen in den Bereichen Quantencomputer, Quantenkommunikation, Laser und Photovoltaik zu finden sind. Es gibt bereits eine Vielzahl an Herstellungsmethoden für Quantenpunkte, jedoch stellt die elektrische Kontaktierung solcher Strukturen nach wie vor eine Herausforderungen dar. Eine Möglichkeit zur Herstellung verdrahteter Quantenpunkte besteht in einer Materialsubstitution ausgehend von Halbleiter- Nanodrähten mit Metall-Kontakten. Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurde diese Synthesemethode zur Herstellung von Nanodrähten bestehend aus ultrakurzen Segmenten aus Germanium (Ge) eingebettet zwischen einkristallinem Aluminium (Al) untersucht. Um diese verdrahteten Germanium-Quantenpunkte herzustellen, wurden zunächst Germanium-Nanodrähte mit Aluminium kontaktiert. Anschließend wurden daraus mittels eines thermisch-aktivierten Austauschprozesses axiale Al-Ge-Al Nanodraht- Heterostrukturen synthetisiert. Bei dieser thermischen Prozessierung werden alle Strukturen gleichzeitig behandelt. Aufgrund statistischer Unsicherheiten bei der Substitution weisen die hergestellten Strukturen eine große Variation der Germaniumsegmentlänge auf. Folglich ist nur eine geringe Ausbeute an Heterostrukturen mit ultrakurzen Ge-Segmenten erreichbar. Daher war das Ziel dieser Diplomarbeit alternative Methoden zur separaten Erwärmung der Strukturen zu untersuchen, um die Geuantenpunkte zielgerichtet erzeugen zu können. Als erstes wurden die Effekte bei Joulescher Erwärmung von Nanodrähten aufgrund eingeprägter Ströme erforscht. Zur Überwachung des Prozessfortschrittes wurden die Versuche im Rasterelektronenmikroskop durchgeführt. Die zweite untersuchte alternative Methode bestand in der Erwärmung mittels Laserlicht. Hier erfolgte die Beobachtung mittels Raman-Spektroskopie. Die Ergebnisse bei der Jouleschen Eigenerwärmung zeigen, dass die Verkürzung der Ge-Segmente bei Al-Ge-Al Nanodraht-Heterostrukturen mit langen Ge-Segmenten nur begrenzt möglich ist, bei jenen Strukturen mit kurzen Ge-Segmenten hingegen kann die Joulesche Eigenerwärmung zu einer vollständigen Substitution führen. Die Methode zur Erwärmung der Al-Ge-Al Nanodraht-Heterostrukturen mittels Laser scheint zur Synthese verdrahteter Ge-Quantenpunkte geeignet zu sein.

In recent years new fields of research in quantum electronics have been arisen, because of the continuous miniaturization of electronics towards nanoscale. Nanostructures allow to introduce new functionalities which enables the development of novel quantum devices. Furthermore, scientists can engineer the material properties of nanostructures over orders of magnitude, e.g. electrical, optical or magnetic properties. Quantum dots are a very important kind of nanostructures, because of there need for quantum computation, quantum cryptography, logic gates, lasers and solar cells. Now, there are many methods of synthesis available, but it is still a challenge to connect them electrically. One possibility for fabrication of wired quantum dots is a material substitution reaction at a semiconductor nanowire with metallic contacts. Within the scope of this diploma thesis this method of synthesis was studied in order to form nanowires consisting of ultrashort germanium (Ge) segments embedded between monocrystalline aluminium (Al). In order to fabricate these wired germanium quantum dots, germanium nanowires were connected by aluminium contact pads first. Then axial Al-Ge-Al nanowire heterostructures were realized by a thermally activated substitution reaction. During this thermal treatment all structures are heated simultaneously. Because of statistical uncertainties of the substitution reaction the variation in germanium segment lengths is huge. As a result, the yield of nanowire heterostructures with ultrashort germanium segments is very low. The aim of this diploma thesis was to research on alternative methods of heating up the structures separately in order to fabricate quantum dots with target-oriented size. First, Joule heating effects on nanowires due to impressed currents were investigated. In order to monitor the progress of the process the experiments were executed in a scanning electron microscope. The second alternative method under investigation was heating the nanowires with laser light. Here the observation takes place with Raman spectroscopy. The results of Joule heating of Al-Ge-Al nanowire heterostructures shows that the reduction of the segment length is limited at long segments and could lead to a complete substitution at short segments. The method of heating Al-Ge-Al nanowire heterostructures with laser light seams to be an appropriate method of synthesis for wired germanium quantum dots.