Projektbereich A: Nanodevices

Unter Nanodevices verstehen wir Einzelobjekte mit einer oder mehreren bestimmten Funktionen, die durch ihre nanoskalige Größe bestimmt oder wesentlich modifiziert werden. Im Rahmen dieses Kompetenznetzes werden solche Nanodevices hergestellt, deren Eigenschaften charakterisiert oder grundlegende Eigenschaften untersucht, die für das Verständnis der Funktion von Nanodevices wichtig sind. Die Projekte gliedern sich in drei Themenbereiche, nämlich die Nanoelektronik, die Nanooptik und die Nanomechanik, wobei der erstgenannte mit den fünf Projekten A3, A4, A5, A6 und A9 sowie Teilaspekten des Projekts A1 den Schwerpunkt dieses Projektbereichs darstellt. Anknüpfungspunkte zur Quanteninformationsverarbeitung bestehen in den Projekten A6 und A9, in denen verschränkte Elektronenpaare in Nanostrukturen erzeugt und charakterisiert werden. Nanooptische Devices werden in den Projekten A1 und A10 untersucht und schließlich nanomechanische in Projekt A2 und in geringerem Umfang auch in Projekt A3. Beide Projekte untersuchen dabei die mechanischen Eigenschaften von biologischen Nanoobjekten. Bei A2 handelt es sich um einen biologischen Schrittmotor, bei A3 um das Erbgutmolekül DNA.

Gegenüber dem vorherigen Förderzeitraum hat sich die Anzahl der vorgeschlagenen Projekte um eins erhöht. Das Projekt A8 (ohne Mittelbedarf), das zweidimensionale Elektronensysteme auf Heliumoberflächen untersucht hat, kann aus personellen Gründen nicht fortgesetzt werden. In der ersten Förderperiode entstanden zahlreiche erfolgreiche standortübergreifende Zusammenarbeiten innerhalb der Projekte A1 bis A6 und auch zwischen den verschiedenen Projekten. Deshalb sollen alle diese Projekte mit veränderter, teilweise erweiterter, teilweise fokussierter Zielsetzung und zum Teil anderer Gruppierung der Teilprojektleiter weitergeführt werden. Zwei neue Projekte, nämlich das Projekt A9, das sich mit den elektronischen Transporteigenschaften von Supraleiter-Ferromagnet-Strukturen beschäftigt, sowie das Projekt A10, das die Wechselwirkung von Licht über Metallelektroden mit Halbleiterquantenpunkten zum Inhalt hat, sollen hinzu kommen. Durch letzteres wird der Zweig der Nanooptik gestärkt werden.

Die Projekte A1 bis A4 und A10 sind anwendungsorientiert. Dabei ergaben sich die Anwendungsaspekte zumeist unerwartet rasch während der ersten Förderperiode. Die anderen Projekte bearbeiten zum jetzigen Zeitpunkt eher grundlegende Fragestellungen; mögliche Anwendungen zu einem späteren Zeitpunkt sind jedoch wie bei den oben genannten Projekten möglich. Die Projekte A3, A5, A6 und A9 zeichnen sich zudem durch eine gemeinsame Aufgabenstellung von experimentellen und theoretischen Arbeitsgruppen aus.

Jedes der Projekte im A-Bereich kooperiert direkt mit zumeist mehreren anderen Projekten dieses Bereichs. Erfreulicherweise zeichnet sich auch bei den neu hinzukommenden Projekten A9 und A10 eine ebenso enge Zusammenarbeit ab. Neben der guten Vernetzung der Projekte des A-Bereichs untereinander sind auch die Anknüpfungspunkte zu Projekten aus den Bereichen B und C zu erwähnen. Im Bereich der nanostrukturierten Oberflächen umfasst dies die Projekte B2, B4, und B7, bei den Nanomaterialien die Projekte C5 und C10. Die Art der Kooperation reichte dabei in der Vergangenheit vom Austausch von Know-How, Messequipment und Materialen, über die Herstellung von Proben, Charakterisierung der Proben mit komplementären Methoden bis hin zu projektübergreifenden Publikationen.

Projekt A1 untersucht ZnO als ein sehr aussichtsreiches Materialsystem für die Herstellung optoelektronischer Bauelemente. Nach den erfolgreichen Arbeiten der ersten Förderperiode, in der Schichten und Nanosäulen aus ZnO mit verschiedenen Dotierungen hergestellt und ihre optischen, magnetischen und strukturellen Eigenschaften charakterisiert wurden, soll nun im Projekt A1 eine Fokussierung auf Nanosäulen stattfinden, wobei das Spektrum der Analysemethoden erweitert wird. Neu hinzukommen wird die Kontaktierung und Vermessung der elektronischen Eigenschaften einzelner Nanosäulen.

Im neuen Projekt A10 soll die Wechselwirkung von Quantenobjekten mit elektromagnetischen Feldern untersucht werden. Eine wichtige Fragestellung dabei ist die Einkopplung der Strahlung über verschiedene Arten von „optischen Antennen“, die den Übergang von der Größenskala der Lichtwellenlänge zu der der Quantenobjekte vermitteln.

Im Rahmen des nanobiomechanischen Projekts A2 wurde in der vergangenen Förderperiode erstmals die Funktionsweise eines einzelnen ATP (ATP: Adenosintriphosphat ist das Moleküle, das Energie für biologische Vorgänge im Organismus zur Verfügung stellt) produzierenden Motors demonstriert. In Zukunft soll nun die Funktionsweise des Nanomotors genauer verstanden und dessen Produktion kontrolliert werden. Hierzu werden in Kooperation von Physikern, Chemikern, Biologen und Ingenieuren die ATP-erzeugenden Proteine in Vesikel eingebracht, die adressiert und quantitativ durch Ankopplung von Fluoreszenzmarkern nachgewiesen werden können.

Ziel des Projekts A3 ist es, den elektronischen Transport durch einzelne Atome und Moleküle zu verstehen. Hierbei spielen auch nanomechanische Aspekte eine Rolle, da die exakte Anordnung der Moleküle und Atome für den Transport maßgeblich ist, was eine enge Zusammenarbeit mehrerer theoretischer Arbeitsgruppen mit Experimentatoren nötig macht. Im Laufe der ersten Förderperiode wurde eine vielseitige theoretische Beschreibung entwickelt und auf aromatische Moleküle angewandt. In Zukunft soll diese nun auch für die Untersuchung der Sequenzabhängigkeit des Transports durch synthetische DNA-Stücke genutzt werden. Diese sollen mit Hilfe von regelbaren Elektroden kontaktiert werden, wodurch auch ihre Konformation und Ankopplung variiert wird. Mit denselben Techniken soll auch der Transport durch magnetische Punktkontakte analysiert werden, wobei die Bildung und Strukturen der Kontakte durch Molekulardynamik-Simulationen studiert wird.

Ebenso komplex ist Projekt A4, das zum Ziel hat, ein nanoelektronisches Bauelement, insbesondere einen Transistor aus Kohlenstoff-Nanoröhren zu entwickeln, das konkurrenzfähige elektronische Eigenschaften zu herkömmlichen Si-Transistoren besitzt. Hierzu müssen die Nanoröhren gezielt mit vorgegebener Orientierung und Dotierung gewachsen werden, und auch die Kontakte zu den Metallelektroden kontrolliert werden.

In Projekt A5 wird der elektronische Transport durch räumlich inhomogene metallische Nanostrukturen untersucht. Dies sind zum einen Nanodrähte mit möglichst wenigen und auch charakterisierbaren Defekten atomarer Größe. In zwei weiteren Teilvorhaben werden definiert Supraleiter und Normalleiter bzw. Ferromagneten in Kontakt miteinander gebracht und das resultierende Spektrum elektronischer Zustände studiert. Auch in diesem Projekt ist eine enge Kooperation von theoretischen und experimentellen Arbeitsgruppen vorgesehen.

Eine weitere Kooperation zwischen Theorie und Experiment ist Projekt A6, das sich mit Korrelationen im elektronischen Transport durch Halbleiter-Quantenpunktkontakte mit mehreren Zuleitungen beschäftigt. Bei geeigneter Wahl der Zuleitungen können dadurch einerseits interessante Stromverstärkungseffekte entstehen, andererseits verschränkte elektronische Zustände erzeugt werden.

Ähnliches gilt für das neue Projekt A9, in dem in supraleitend-normalleitenden Nanostrukturen in Drei-Kontakt-Geometrie zunächst die nichtlokalen Transporteigenschaften untersucht und dann durch Realisierung der Struktur mit Ferromagneten und Supraleitern ebenfalls verschränkte Elektronenpaare erzeugt werden sollen. Hierbei wird nicht nur der nichtlokale Leitwert, sondern auch direkt die Strom-Strom-Korrelation experimentell studiert.