Leitwertbestimmung metallischer Quantenpunktkontakte

von Yvonne Stöcker (17, Sächs. Landesgymnasium St. Afra zu Meißen)

Kategorie: Physik 2017
Betreuer: Kerstin Runschke (Sächs. Landesgymnasium St. Afra zu Meißen), PD Dr. Artur Erbe (Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf)
Wettbewerbsart: Jugend forscht

Gewonnene Preise:
  • 2. Platz im Landeswettbewerb
  • Regionalsieger

"Jeder, der schon einmal vom Mooreschen Gesetz gehört hat, hat sich bestimmt gefragt, wo die Grenzen dieses Gesetzes liegen. Dieses vom Mitbegründer und Ehrenvorsitzenden der Intel Corporation Gordon Moore formulierte Gesetz besagt nämlich, dass sich die Komplexität, also die Anzahl der Schaltkreiskomponenten in einem integrierten Schaltkreis, jährlich verdoppelt.  Natürlich muss diese Entwicklung einen Grenzwert besitzen, denn spätestens wenn man bei einzelnen Atomen angekommen ist, sollte mit der Verkleinerung Schluss sein.
Ich habe in dieser Arbeit untersucht, inwiefern solche kleinen Strukturen, einzelne oder wenige Atome noch für derartige Zwecke nutzbar sind, genauer: wie gut diese Strukturen Strom leiten.
Dafür habe ich mittels eines relativ simplen Aufbaus Quantenpunktkontakte hergestellt. Quantenpunktkontakte sind Kontakte, die nur aus wenigen Atomen bestehen. Da die Atome gegenseitig ihre Leitungsbänder (Bändermodell) beeinflussen, spielt die Konfiguration dieser Atome für den Leitwert des Kontaktes eine entscheidende Rolle. Ich habe den Leitwert der Kontakte gemessen, während ich sie geöffnet habe, also während sich die Atomkonfiguration und die Anzahl der am Stromfluss beteiligten Atome veränderten. Aus den so entstandenen Messreihen wurden Histogramme erstellt, die die Anzahl der jeweiligen Leitwerte zeigen.
Dabei zeigten sich für die untersuchten Metalle Gold, Kupfer und Platin unterschiedliche Maxima. Bei Gold konnte man eine Art der Leitwertquantisierung messen in Einheiten von G_0=2e/h (e: Ladung eines Elektrons; h: Planck‚Äôsches Wirkungsquantum). Dies ist der Wert, der entsteht, wenn ein Strom durch einen einzelnen Kanal fließt, der die Transmission Eins hat. D.h., dass in ihm keine Rückstreuung stattfindet und die Elektronen ballistisch durch ihn transportiert werden. Da die Maxima des Leitwerthistogramms kurz vor ganzzahligen Vielfachen dieses Wertes zu finden waren, haben die Transportkanäle der Goldatome wahrscheinlich eine Transmission von nahezu Eins.
Für Kupfer erschien ebenfalls ein Maximum kurz vor dem 1G_0, die nächsten Maxima, kurz vor 2G_0 und 3G_0, waren viel niedriger und breiter als das erste. Man kann daraus ableiten, dass Kupfer bevorzugt eine Atomkonfiguration einnimmt, die einen Leitwert von nahezu 1G_0 erzeugt.
Bei Platin veränderte sich die Position des ersten Maximums für verschiedene Vorspannungen. Mit einer Vorspannung von 500mV beispielsweise ergab sich ein bevorzugter Leitwert von ungefähr 2 G_0. Für eine Vorspannung von 100mV hingegen liegt es zwischen 1G_0 und 1,5 G_0. Diese Veränderung, dass der Leitwert entgegen den Erwartungen mit sinkender Vorspannung sinkt, deutet darauf hin, dass es sich nicht um elektrische sondern vielmehr geometrische Effekte handelt. Vermutlich können sich bei steigender Vorspannung keine Ketten aus Atomen mehr bilden."

Leitwertbestimmung metallischer Quantenpunktkontakte