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Dynamic electromechanical control of semiconductor nanostructures by acoustic fields

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Ein neues Ausbildungsnetzwerk schlägt hohe Wellen dank winziger Beben auf Chips

Auf Chips, die mithilfe von Halbleitertechnologie hergestellt wurden, können „Nanobeben“ ausgelöst werden, wenn piezoelektrische Materialien verwendet werden – eine Wechselspannung bringt dabei Bewegung in die Sache. Ein innovatives Ausbildungsnetzwerk hat sich Nanobeben für neue Anwendungen in Bereichen von der Quantennanotechnologie bis hin zur Mikrochemie zunutze gemacht.

Industrielle Technologien

Im späten 19. Jahrhundert sagte der Nobelpreisträger in Physik Lord Rayleigh die Existenz einer besonderen Wellenart voraus. Indem sie über die elastische Erdoberfläche rollen, sind Rayleighwellen für die Zerstörungskraft von Erdbeben verantwortlich. Wenn man sie auf Nanomaßstab schrumpft und auf einen Chip verlagert, erhält man die heutigen akustischen Oberflächenwellen. Mit Unterstützung durch das Marie-Skłodowska-Curie-Programm entwickelte das Projekt SAWTrain ein innovatives Ausbildungsnetzwerk, das sich auf die Kontrolle von Halbleiternanostrukturen mit akustischen Oberflächenwellen konzentriert. Das Team machte sich daran, elektrische und optische Eigenschaften durch Nanobeben zu verändern, um neue Funktionalitäten zu entwickeln.

Winzige akustische Wellen mit maßgeblichen Auswirkungen

Der Projektkoordinator Hubert Krenner und sein Team nahmen sich Anwendungen der nächsten Generation in der Informationstechnologie vor und erschufen gleichzeitig völlig neue Anwendungsgebiete. Laut Krenner ist „der Hauptanwendungsbereich von akustischen Oberflächenwellen die Signalverarbeitung bei Gigahertzfrequenzen (GHz-Frequenzen). Heutzutage bedient sich sämtliche kabellose Kommunikation dieser Frequenzen. Eine weitere wichtige Anwendung liegt in der Mikrofluidik bei der Verarbeitung von winzigsten Flüssigkeitsmengen auf Chips. In diesen daumennagelgroßen Chiplaboren werden Nanobeben zum Antrieb und zur Anregung winziger Tröpfchen verwendet, um medizinische Tests dramatisch zu beschleunigen.“ Das Team konzentrierte sich auf die Verwendung akustischer Oberflächenwellen in der Quantennanotechnologie, in optischen Nanosystemen, in Sensoren mit bislang unerreichter Empfindlichkeit oder zur Beschleunigung chemischer Reaktionen.

Nanobeben rütteln die Dinge auf

SAWTrain hat sich als ein äußerst produktives Forschungsprojekt erwiesen. Nachwuchsforscherinnen und -forscher haben ihre Arbeit in zahlreichen prestigeträchtigen Fachzeitschriften veröffentlicht, darunter Nature Physics, Physical Review X und Nature Communications. Darüber hinaus sind zwei Briefe über wichtige neue Entdeckungen in Applied Physics Letters und dem Journal of Physics D erschienen. SAWTrain diente als Anstoß für die Sonderausgabe über akustische Oberflächenwellen in Halbleiternanosystemen des renommierten Journal of Physics D: Applied Physics. Der Projektkoordinator von SAWTrain, Hubert Krenner, und die Forschungsleiter Paulo Santos und Mauricio de Lima waren für diese Ausgabe Gastredakteure. Krenner erklärt begeistert: „Bei neun der 25 Beiträge waren Nachwuchsforscherinnen und -forscher von SAWTrain Mitverfasser. SAWTrain wurde zu einem ‚Markennamen‘ für akustische Oberflächenwellen in Europa und gemeinsam mit unseren Studenten und erstklassigen Kollegen aus aller Welt erarbeiteten wir Visionen, wie unser Fachbereich sich weiterentwickeln könnte, die im Zukunftsplan für akustische Oberflächenwellen 2019 zusammengefasst wurden.“

Auswirkungen über wissenschaftliche Beiträge hinaus

Die Nachwuchsforscherinnen und -forscher übernahmen in vielerlei Hinsicht die Führung. „Die Stipendiatinnen und Stipendiaten selbst haben hervorragende Arbeit geleistet, indem sie völlig eigenständig Möglichkeiten zum Networking und Schulungsveranstaltungen organisierten und durchführten. Aufgrund des großartigen Erfolges verdoppelten wir das Budget, um diese einzigartigen Aktivitäten zu unterstützen, die das Erlangen von Soft Skills und übertragbaren Kenntnissen fördern, die im späteren Berufsleben unerlässlich sind“, so Krenner. SAWTrain führte außerdem eine umfangreiche Öffentlichkeitsarbeit- und Informationskampagne vor allem in Zusammenarbeit mit dem Deutschen Museum in München durch, einem der größten wissenschaftlichen und technischen Museen der Welt. Das Team entwickelte zum Beispiel einen Demonstrator, der die auf akustischen Oberflächenwellen basierende Technologie der Öffentlichkeit zugänglich machen soll und auf Tagen der offenen Tür in Laboren und auf wissenschaftlichen Festivals wie der Europäischen Nacht der Forschung 2018 präsentiert wurde. Der erste SAWTrain-Absolvent schloss seine Doktorarbeit im Februar 2019 mit Bestnoten ab und hat bereits ein Einzelstipendium im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen als Postdoktorand in der Forschung erhalten, um seine Arbeit fortzusetzen. Das Projekt SAWTrain war daher augenscheinlich eher ein Vorbeben als das Hauptbeben, da die größten Veranstaltungen und Auswirkungen noch bevorstehen.

Schlüsselbegriffe

SAWTrain, akustische Oberflächenwellen, Nanobeben, Wellen, Halbleiter, Ausbildung, Nanosysteme, Quanten, Nanotechnologie, Sensoren, Mikrofluidik, Chiplabor

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