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Genauigkeit: 35 Nanometer

Einzelne Ionen in Festkörper platziert

18. September 2019, 16:29 Uhr | Hagen Lang

Schematische Darstellung der Ionenfalle (links) als Quelle eines Ionenstrahls, um im Kristall (rechts) eine gewünschte Anordnung der Farbzentren einzuschreiben.

Mit dem Dotieren von Halbleitern, dem gezielten Einbringen von Fremdatomen in das Grundmaterial, kann die Leitfähigkeit maßgeschneidert werden. Mainzer Forscher können jetzt genau abgezählte Dotierungsionen präzise in einem Festkörperkristall platzieren.

Dotierte Halbleiter sind die Grundlage moderner Elektronik. Um elektronische Bauelemente herzustellen, werden hochreine Siliziumkristalle mit Dotierungsatomen wie zum Beispiel Aluminium oder Phosphor versetzt. Dadurch kann die Leitfähigkeit maßgeschneidert werden.

In modernen, auf wenige Nanometer miniaturisierten elektronischen Computerprozessoren sind nur noch die Elektronen von weniger als zehn Dotieratomen für die Schaltprozesse zuständig. Noch einen Schritt weiter gehen Quantenbauelemente, bei denen nur einzelne Dotieratome in einem hochreinen Kristall für neuartige Quantencomputer oder Quantensimulatoren genutzt werden sollen.

Forscher der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) um Prof. Dr. Ferdinand Schmidt-Kaler haben eine Methode entwickelt, um genau abgezählte, einzelne Dotierungsionen in einen Festkörperkristall zu platzieren. In den Experimenten wurde das Seltene-Erden-Element Praseodym in einen Yttrium-Aluminium-Granatkristall eingeschossen.

Diese Kristalle wurden anschließend in Zusammenarbeit mit Forschern der Gruppe um Prof. Dr. Jörg Wrachtrup an der Universität Stuttgart in einem hochauflösenden konfokalen Mikroskop untersucht. Dabei konnte eine Positionierungsgenauigkeit von 35 Nanometern ermittelt werden. Diese Genauigkeit erlaubt prinzipiell, Anordnungen von Dotierungsionen für Bauelemente eines zukünftigen Quantenprozessors zu schreiben.