Losse atomen inbrengen en meten in halfgeleiders
Geplaatst: 03 maart, 2010
TU/e-onderzoekers onder leiding van prof.dr. Paul Koenraad hebben
vorige week de omslag gehaald van Physical Review Letters, een van de
voornaamste tijdschriften voor natuurkundig onderzoek. Ze presenteren
in het blad de oplossing van een belangrijk raadsel in de
halfgeleiderfysica.
De afbeelding die op de cover staat van Physical Review Letters.
"Het gaat hier om de langverwachte stap naar 'single atom electronics
and photonics' in halfgeleiders", vertelt Koenraad. "Ofwel de
elektronica en fotonica waarin slechts een enkel atoom actief is en
verantwoordelijk voor de functionaliteit van de schakeling. We zijn in
staat individuele doterings-atomen te manipuleren en bestuderen. In de
publicatie in het blad laten we zien dat we de ladingsverdeling van
een enkel elektron gebonden aan een doteringsatoom kunnen meten en
begrijpen."
De afbeelding die de omslag siert van Physical Review Letters, toont
magnetische mangaanionen in een rooster van galliumarsenide (GaAs).
GaAs is een materiaal met toepassingen in onder meer LEDs, lasers en
zonnecellen. Het plaatje is gemaakt met een zogeheten scanning
tunneling microscope. Hiermee maken de onderzoekers het oppervlak van
de halfgeleider tot op het niveau van individuele atomen zichtbaar.
Op de afbeelding zijn de mangaanatomen zichtbaar - in geel en rood -
in het GaAs rooster. De mangaanatomen - zogeheten onzuiverheden -
slokken een elektron uit het GaAs op, waardoor ze een positieve
ladingsverdeling om zich heen creëren. De vorm van deze
ladingsverdeling is afhankelijk van de diepte waarop het mangaanatoom
zich in het materiaal bevindt, zo tonen Koenraad en zijn collegas aan.
Bovendien verklaren ze de vorm van de ladingsverdeling rond
onzuiverheden in andere materialen.
Het onderzoek is belangrijk voor het begrip van magnetische
onzuiverheden in halfgeleiders. Deze magnetische atomen (zoals
mangaan) worden met opzet aangebracht in de hoop dat ze gebruikt
kunnen worden in bijvoorbeeld magnetische geheugenelementen. In 2004
was de groep van Koenraad, Photonics and Semiconductor Nanophysics
(Technische Natuurkunde/COBRA), de eerste die zag dat de
ladingsverdeling rond mangaanionen in GaAs niet bolvormig was. Dit had
men tot dan toe wel aangenomen. De huidige publicatie biedt hiervoor
een verklaring en legt de relatie met de diepte onder het oppervlak
waar de ionen zich bevinden.
Door de toenemende miniaturisatie van computerchips worden in
verhouding steeds meer van de toegevoegde onzuiverheden, die bepalend
zijn voor de eigenschappen van het materiaal, beïnvloed door de
nabijheid van het oppervlak. Goed begrip van deze oppervlakeffecten is
daarom essentieel, zegt Koenraad. Niet alleen onderzoekers in ons
vakgebied zien in dat dit interessant is, maar deze publicatie toont
tevens aan dat je rekening moet houden met deze effecten in steeds
kleiner wordende devices.
Technische Universiteit Eindhoven