Anschlussprojekte | Sonderprojekte

Förderbeginn 01.01.2015

Breitbandige Gitter für die Einkopplung in der Lichtwellen-Nanoelektronik

Prof. Dr. Matthias Kling
Ludwig-Maximilians-Universität München
Fakultät für Physik

Dr. Stefano Cabrini
Lawrence Berkeley National Laboratory
Molecular Foundry


Fundamentale Hindernisse beschränken elektronische Systeme aufgrund ihrer Architektur auf Taktfrequenzen im Multi-Gigahertz Bereich. Für die Zukunft werden daher mittel- und langfristig erhebliche Abweichungen vom Moor’schen Gesetz erwartet. Im Rahmen einer Kooperation zwischen dem Physik Department der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) in Garching und der Molecular Foundry (ML) des Lawrence Berkeley National Laboratory in Berkeley soll ein Paradigmenwechsel im Design nanostrukturierter Bauteile eingeleitet werden, wobei zukünftig maßgeschneiderte Lichtwellenfelder eine aktive Kontrolle über die Elektronenbewegung in nanoskaligen Schaltkreisen ermöglichen sollen. Als eine der Schlüsseltechnologien für ultraschnelle plasmonische Schaltkreise widmet sich das Projekt der Herstellung und Charakterisierung neuartiger, breitbandiger Gitter zur Einkopplung von Lichtwellen. Im Rahmen einer Design-Studie werden die Gitter zunächst theoretisch simuliert und anschließend mit modernsten Methoden der Nanofabrikation an der MF produziert. An der LMU werden die Strukturen anschließend mittels Attosekunden-Laser-Spektroskopie experimentell charakterisiert.

Abschlussbericht
Mit zunehmender Verkleinerung erreichen konventionelle, silizium-basierte elektronische Bauteile aufgrund ihrer Architektur fundamentale physikalische Grenzen, wodurch auch die maximal erreichbare Taktrate limitiert wird. Eine mögliche Alternative, die zunehmend in den Fokus von grundlagen-orientierter als auch angewandter Forschung gelangt, beschreibt die Lichtwellen-Nanoelektronik, die erheblich höhere Schaltfrequenzen erlaubt. Dabei wird der Informationstransport nicht mehr durch elektrische Ströme sondern durch Plasmonen realisiert, die als kollektive Anregung der Leitungselektronen an der Grenzfläche zwischen Metallen und Dielektrika existieren können. Der Erfolg dieses Paradigmenwechsel hängt wesentlich von der Verfügbarkeit geeigneter Bauteile zur Erzeugung, Weiterleitung und Verarbeitung der elektrischen Signale bei der plasmonen-basierten Elektronik ab. Mit diesem Projekt sollte die Möglichkeit der Herstellung von breidbandigen Gittern zur Ein- und Auskopplung von plasmonischen Signalen untersucht werden, wobei besonderes Augenmerk auf die Verwendbarkeit der Strukturen bei ultraschnellen Taktraten gelegt wurde.

Im ersten Teilabschnitt des Projekts wurden die Strukturen in den Laboren der Molecular Foundry (MF) am Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) hergestellt. Hierfür wurden Goldnanodrähte verwendet, auf denen in einem ersten Schritt mit einem Schnitt durch den Golddraht eine ebene Fläche durch fokussiertes Ionenstrahl-Ätzen (FIB) präpariert wurde. Um eine möglichst dissipationsfreie Ausbreitung der Plasmonen zu gewährleisten, wurde die Oberflächenrauhigkeit in weiteren Polierschritten reduziert, wobei hinreichend geringe Dosisraten beim FIB-Verfahren verwendet wurden. Im letzten Schritt wurde die Gittergeometrie auf die präparierte Oberfläche übertragen, wobei Parameter wie die Gitterkonstante, Tiefe und Breite der Einkerbungen sowie die lateralen Abmessungen variiert wurden. Um die Informationsübertragung bei hohen Taktraten zu ermöglichen, muss die Gittergeometrie die Ein-/Auskopplung von ultrakurzen Pulsen unterstützen. Für die Verwendung mit wenige Zyklen umfassenden Femtosekundenpulsen im Nahinfrarotbereich, muss die unterstütze spektrale Bandbreite deshalb von etwa 500 nm bis über 1100 nm reichen. Neben Gitterstrukturen in Fächerform, bei denen der unterstütze Spektralbereich örtlich variiert, wurden auch Gitter mit zu- bzw. abnehmender Gitterkonstante hergestellt, wodurch die Pulsform zeitlich variiert werden kann.

Im zweiten Teilabschnitt wurden die verschiedenen Gitterstrukturen hinsichtlich ihrer Eigenschaften in numerischen Simulationen untersucht. Dabei wurde die Methode der finiten Differenzen im Zeitbereich (FDTD) angewandt und mit einer kommerziellen Software umgesetzt. Die Ergebnisse der Simulationen konnten zeigen, dass Gold als Ausgangsmaterial für plasmonische Anwendungen sehr gut geeignet ist und für plasmonische Anregungen im nahinfraroten Wellenlängenbereich hinreichend schnelle Ausbreitungsgeschwindigkeiten erlaubt. Trotz der höheren Dämpfung im Vergleich zu anderen Materialien, wie z.B. Silber, bietet Gold große Vorteile bei der chemischen Stabilität sowie der in-situ Integration komplexer Geometrien, die über etablierte Verfahren gewachsen werden können. Die Simulationen konnten auch zeigen, dass die Gitterstrukturen in der Lage sind große spektrale Bandbreiten zu unterstützen und damit die Ein- bzw. Auskopplung von ultrakurzen, wenige-Zyklen umfassende Femtosekundenpulse ermöglichen können.

In einem letzten Schritt sollen die plasmonischen Anregungen, die über die Gitter eingekoppelt werden auch mit experimentellen Mitteln untersucht werden. Hierfür soll die Methode des Attosekunden-Streakings angewandt werden, die eine ausreichende zeitliche Auflösung für eine sub-Zyklen Charakterisierung erreicht. Trotz der großen Erfolge, die erst kürzlich erreicht wurden, ist die Anwendung des Attosekungen-Streakings an nanoskaligen Proben noch in einer sehr frühen Entwicklungsphase. Aufgrund dessen konnte dieser letzte Schritt innerhalb der Laufzeit des Projekts noch nicht realisiert werden.