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Quantum Devices based on Carbon Nanotubes

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Miniaturisierung der Technologie

Mikroskopisch kleine Kohlenstoffnanoröhrchen finden Verwendung, um unter Anwendung neuer Verfahren kleinste Einheiten zu bauen. Hierdurch wird die Tür zu einer neuen Art von Baugruppen eröffnet, darüber hinaus werden neue Anwendung auf Quantenebene ermöglicht.

Industrielle Technologien

Insbesondere auf Quantenebene stecken in der Wissenschaft mehr Innovationen, als man erahnen kann. Miniaturbaugruppen wie Sensoren können, dank der Verwendung von Nanomaterialien, für den Einsatz in der Wissenschaft und der Technologie hergestellt werden. Das EU-finanzierte QDCN-Projekt ("Quantum Devices Based on Carbon Nnanotubes") entwickelt extrem empfindliche Detektoren, mit denen die Untersuchung der elektrischen Eigenschaften von einzelnen Molekülen durchführbar ist. Solch ein Detektor besteht aus kleinsten Elementen, sogenannten Kohlenstoffnanoröhren (Carbon Nanotubes – CNT), die etwa die Dicke von einem Fünfzigtausendstel der Dicke eines menschlichen Haares besitzen. Um zu funktionieren, müssen bei diesen Detektoren Halbleiter eingesetzt werden, also Materialien mit einer spezifischen elektrischen Leitfähigkeit. Eine neuere und leistungsfähigere Form eines Halbleiters im Nanomaßstab ist der Quantenpunkt: Er erhöht die Leitfähigkeit und wird zur Herstellung besserer Bauteile als die momentan verfügbaren herangezogen. Um die elektrischen Eigenschaften eines individuellen Moleküls zu messen, werden Quantenpunkte auf nur einer Elektrode, die aus einem einzelnen CNT besteht, aufgebracht. Der Vorteil des Einsatzes einer CNT als Elektrode besteht in einer lokalen Abschirmung von der Elektrode, wodurch sich bessere Möglichkeiten einer Untersuchung der elektrischen Struktur des Halbleiterpunkts ergeben. Dies stellt einen neuen, effizienteren Ansatz dar, der während des Projekts entwickelt wurde, um innovative Sensoren und Detektoren herzustellen. Diese neue Anordnung von Nanobaugruppen vereinfacht den Herstellungsprozess im Vergleich zu den Standardeinheiten, bei denen zwei Elektroden Anwendung finden, die durch eine wenige nanometergroße Lücke getrennt sind. Dies ist wichtig, da der Herstellungsprozess solcher Baugruppen sehr anspruchsvoll sowie zeitaufwendig ist, darüber hinaus kommen hier zahlreiche Verfahren und komplizierte Geräte zur Anwendung. Der nächste Schritt des Projekts bestand in der Charakterisierung der hergestellten Nanobaugruppen und in der Bestimmung ihrer Genauigkeit. Dies gelang unter Einsatz einer neuen Methode mit der Bezeichnung "Electron Counting Spectroscopy", bei der Messungen bei niedrigen Temperaturen vorgenommen werden. Dieses Verfahren ermöglicht es Forschern, die elektrischen Eigenschaften von Halbleiter-Quantenpunkten zu ermitteln. Zudem ist es möglich, halbleitende Quantenpunkte mit Elektronen aufzufüllen oder diese zu entfernen, eine bisher mühsame Aufgabe. Zusätzlich zur Schaffung eines Detektors gelang es während des Projekts, verschiedene Herstellungsmethoden für Nanobaugruppen wie eine Vielzahl von Verfahren und eine Reihe von Vorrichtungen auf Quantenebene zu entwickeln. Hierzu gehören frei schwebende Baugruppen aus Nanoröhrchen, Graphenelemente, Vierleiter-Nanoröhrchen aus Gold und katalytische Nanomotoren. Die Fortschritte des Projekts ermöglichen zudem die umfangreiche Beeinflussung der Fermienergie (der Energie am absoluten Temperaturnullpunkt). Dies ist besonders für die Elektrotechnik auf Nano- oder Molekularebene vielversprechend, da eine starke Beeinflussung und "Trennung" der Energie bei solchen Anwendungen begrenzt ist. Das QDCN-Projekt hat gezeigt, dass der Nachweis eines einzelnen Elektrons mit einem CNT-Transistor eine neue Möglichkeit darstellt, die Aufteilung der Energie zwischen den diskreten energetischen Niveaus eines halbleitenden Quantenpunkts zu untersuchen. Insbesondere konnte gezeigt werden, dass die energetischen Niveaus eines Quantenpunkts ein chaotisches Verhalten aufweisen können, ein Phänomen, das in den vergangenen Jahrzehnten nur theoretisch untersucht wurde.

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