Linz/Wien – Die Herstellung und Vermessung winziger, aus nur wenigen Tausend Atomen bestehender Strukturen, ist in der Forschung längst keine Besonderheit mehr. Ein internationales Forscherteam unter Beteiligung der Universität Linz hat nun im Fachjournal "Science Advances" aber eine Methode vorgestellt, mit der auch unter der Oberfläche versteckte Strukturen präzise aufgespürt werden können.

Als Nanostruktur gilt im Grunde alles, was größer ist als ein Molekül aber dennoch zu klein, um es unter einem herkömmlichen Lichtmikroskop beobachten zu können. In den vergangenen Jahrzehnten wurden in den Naturwissenschaften unzählige verschiedene Methoden entwickelt, um solche winzigen Strukturen gezielt zu erzeugen und für die unterschiedlichsten Zwecke einzusetzen.

Schwierige Vermessung

Im aufstrebenden Forschungsfeld der Quanteninformatik, deren Ziel die Entwicklung eines Quantencomputers ist, werden allerdings Nanostrukturen benötigt, die sich nicht wie sonst üblich auf, sondern unter einer Oberfläche befinden. Um diese zu vermessen, waren Wissenschafter bisher auf Methoden angewiesen, die entweder sehr ungenaue Ergebnisse lieferten oder die Strukturen während der Untersuchung zerstörten.

"Die von uns entwickelte Methode ist nicht nur sehr genau, sie verursacht auch keinerlei Schaden an der Struktur", erklärt der Erstautor der aktuellen Studie Georg Gramse vom Institut für Biophysik der Universität Linz. Konkret ging es den Forschern darum, Geometrie und elektrische Eigenschaften von Strukturen aus einigen Tausend Phosphoratomen zu bestimmen, die knapp unter der Oberfläche in einen Siliziumkristall eingebettet waren. Sie gelten aufgrund ihrer speziellen physikalischen Eigenschaften als Grundbausteine für zukünftige Quantengeräte.

Doppelte Nutzung

Um die Objekte aufzuspüren und zu vermessen, verwendeten Gramse und Kollegen die feine Spitze eines Atomkraftmikroskops, mit der üblicherweise die Struktur von Oberflächen untersucht wird. Dabei wird die Spitze in einem Raster über die Probe geführt und so ein dreidimensionales Bild der Oberfläche erstellt. Um unter die Oberfläche blicken zu können, verwendeten die Forscher eine elektrisch leitfähige Spitze, von der aus sie an jedem Punkt des Rasters ein hochfrequentes, elektrisches Signal in das Silizium schickten. Ähnlich wie bei geologischen Untersuchungen mit Schallwellen analysierten sie die reflektierten Wellen und konnten so feststellen, wo sich Phosphoratome unter der Oberfläche befanden und wo nicht.

Bemerkenswerterweise kommt zur Herstellung der Phosphorstrukturen ein ähnliches Mikroskop zum Einsatz: Mithilfe seiner Spitze wird das gewünschte Muster zunächst in eine mit Wasserstoff bedeckte Siliziumoberfläche geschrieben und dann mit Phosphoratomen ausgefüllt. Anschließend wird das Ganze unter einer dünnen Schicht frischem Silizium vergraben. "Dass für beide Prozesse ein und dasselbe Gerät verwendet werden kann, könnte den gesamten Prozess in Zukunft erheblich beschleunigen", sagt Gramse. (APA, 30.6.2017)