„Quantentopf“ – Versionsunterschied

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[[Datei:Skizze Quantum well.svg|mini|Skizze eines Quantentopfes. In ein Halbleitermaterial mit großem Abstand zwischen Valenzband <math display="inline">E_\text{V}</math>Leitungsband <math display="inline">E_\text{L}</math> ist Schicht der Dicke <math display="inline">d</math> von Halbleitermaterial 2 eingebettet. Es ergeben sich diskrete Energieniveaus.]]
[[Datei:Skizze Quantum well.svg|mini|Skizze eines Quantentopfes. In ein Halbleitermaterial mit großem Abstand zwischen Valenzband <math display="inline">E_\text{V}</math>Leitungsband <math display="inline">E_\text{L}</math> ist Schicht der Dicke <math display="inline">d</math> von Halbleitermaterial 2 eingebettet. Es ergeben sich diskrete Energieniveaus.]]


Unter einem '''Quantentopf''' ({{enS|''quantum well''}}) versteht man einen Potentialverlauf, der die Bewegungsfreiheit eines Teilchens in einer Raumdimension einschränkt (üblicherweise in z-Richtung), so dass nur eine planare Region (x,y-Ebene) besetzt werden kann. Die Breite des Quantentopfes bestimmt maßgeblich die [[Quantenmechanik|quantenmechanischen]] Zustände, die das Teilchen einnehmen kann. Dies führt insbesondere zur Ausbildung von [[Energieniveau]]s (Sub-Bändern), d.&nbsp;h., das Teilchen kann nur diskrete (potentielle) Energiewerte annehmen.
Unter einem '''Quantentopf''' ({{enS|''quantum well''}}) versteht man einen Potentialverlauf, der die Bewegungsfreiheit eines [[Teilchen im Kasten|Teilchens in einer Raumdimension]] einschränkt (üblicherweise in z-Richtung), so dass nur eine planare Region (x,y-Ebene) besetzt werden kann. Die Breite des Quantentopfes bestimmt maßgeblich die [[Quantenmechanik|quantenmechanischen]] Zustände, die das Teilchen einnehmen kann. Dies führt insbesondere zur Ausbildung von [[Energieniveau]]s (Sub-Bändern), d.&nbsp;h., das Teilchen kann nur diskrete (potentielle) Energiewerte annehmen.


== Herstellung ==
== Herstellung ==
In der [[Halbleiter]]technologie werden Quantentöpfe hergestellt, indem eine Schicht eines Halbleiters geringerer [[Bandlücke]] (z.&nbsp;B. [[GaAs]]) zwischen zwei Schichten eines Halbleiters größerer Bandlücke (z.&nbsp;B. [[AlGaAs]]) eingebettet wird. Aus diesem Grund wird die so entstehende Struktur oft auch als '''Quantenfilm'''<!--redirect--> bezeichnet. Ein weit verbreitetes Verfahren zur Herstellung solcher Strukturen ist die [[Molekularstrahlepitaxie]], die Schichtdickenkontrolle bis in den Bereich von [[Monolage|Einzelschichten]] (engl. {{lang|en|''monolayer''}}) ermöglicht. Um gute Schichtqualitäten zu erreichen, ist unter anderem zu beachten, dass die verwendeten Materialien [[Kristallgitter|gitter]]kompatibel sind, d.&nbsp;h., eine hinreichend ähnliche [[Kristallstruktur]] (u.&nbsp;a. [[Gitterkonstante]]) aufweisen.
In der [[Halbleiter]]technologie werden Quantentöpfe hergestellt, indem eine Schicht eines Halbleiters geringerer [[Bandlücke]] (z.&nbsp;B. [[GaAs]]) zwischen zwei Schichten eines Halbleiters größerer Bandlücke (z.&nbsp;B. [[AlGaAs]]) eingebettet wird. Derartige Strukturen werden auch als ''Quantenfilm'' bezeichnet.<ref>{{Literatur |Autor=Sven Höfling |Titel=Laserdioden mit [[Polariton|Polaritonen]] |Sammelwerk=[[Physik Journal]] |Band=13 |Nummer=8/9 |Verlag=Wiley-VCH |Datum=2014 |Online=https://www.pro-physik.de/restricted-files/89281}}</ref> Ein weit verbreitetes Verfahren zur Herstellung solcher [[Heteroübergang|Heterostrukturen]] ist bspw. die [[Molekularstrahlepitaxie]], die Schichtdickenkontrolle bis in den Bereich von [[Monolage|Einzelschichten]] (engl. {{lang|en|''monolayer''}}) ermöglicht. Um gute Schichtqualitäten zu erreichen, ist unter anderem zu beachten, dass die verwendeten Materialien [[Kristallgitter|gitter]]kompatibel sind, d.&nbsp;h., eine hinreichend ähnliche [[Kristallstruktur]] (u.&nbsp;a. [[Gitterkonstante]]) aufweisen.


== Anwendungen ==
== Anwendungen ==
Aufgrund der zweidimensionalen Natur des Quantentopfs weisen die [[Elektron]]en und [[Defektelektron|Löcher]] darin eine andere [[Zustandsdichte]] auf als im dreidimensionalen Kristall. Durch gezieltes [[Dotierung|Dotieren]] können (hochbewegliche) zweidimensionale Elektronensysteme gezüchtet werden, die Anwendungen z.&nbsp;B. in [[HEMT]]s (engl. ''high-electron-mobility transistor'') finden. Weitere Anwendungen sind z.&nbsp;B. der [[Quanten-Kaskaden-Laser]], [[Diodenlaser]] oder [[Quantentopf-Infrarot-Photodetektor]].
In der zweidimensionalen Anordnung des Quantentopfs weisen die [[Elektron]]en und [[Defektelektron|Löcher]] darin eine andere [[Zustandsdichte]] auf als im dreidimensionalen Kristall. Andere, in der [[Nanotechnologie|Nanotechologie]] und Forschung studierte niedrigdimensionale Quantensysteme, sind bspw. [[Quantendraht|Quantendrähte]] oder [[Quantenpunkt|Quantenpunkte]].<ref>{{Literatur |Titel=Springer Handbook of Nanotechnology |Verlag=Springer Berlin Heidelberg |Ort=Berlin, Heidelberg |Datum=2017 |Sprache=en |Reihe=Springer Handbooks |ISBN=978-3-662-54355-9 |DOI=10.1007/978-3-662-54357-3 |Online=http://link.springer.com/10.1007/978-3-662-54357-3 |Abruf=2023-01-30}}</ref>


Es können durch gezieltes [[Dotierung|Dotieren]] (hochbewegliche) [[Zweidimensionales Elektronengas|zweidimensionale Elektronensysteme]] hergestellt werden, die Anwendungen z.&nbsp;B. in [[HEMT]]s (engl. ''high-electron-mobility transistor'') finden. Weitere Anwendungen sind z.&nbsp;B. der [[Quanten-Kaskaden-Laser]], [[Diodenlaser]] oder [[Quantentopf-Infrarot-Photodetektor]].
== Siehe auch ==
* [[Teilchen im Kasten]]
* [[Quantendraht]]
* [[Quantenpunkt]]


== Literatur ==
{{Siehe auch|Festkörperphysik|Halbleiter}}

== Einzelnachweise ==
<references />
[[Kategorie:Quantenphysik]]
[[Kategorie:Quantenphysik]]
[[Kategorie:Festkörperphysik]]
[[Kategorie:Festkörperphysik]]
[[Kategorie:Nanotechnologie]]

Version vom 30. Januar 2023, 23:54 Uhr

Skizze eines Quantentopfes. In ein Halbleitermaterial mit großem Abstand zwischen Valenzband Leitungsband ist Schicht der Dicke von Halbleitermaterial 2 eingebettet. Es ergeben sich diskrete Energieniveaus.

Unter einem Quantentopf (englisch quantum well) versteht man einen Potentialverlauf, der die Bewegungsfreiheit eines Teilchens in einer Raumdimension einschränkt (üblicherweise in z-Richtung), so dass nur eine planare Region (x,y-Ebene) besetzt werden kann. Die Breite des Quantentopfes bestimmt maßgeblich die quantenmechanischen Zustände, die das Teilchen einnehmen kann. Dies führt insbesondere zur Ausbildung von Energieniveaus (Sub-Bändern), d. h., das Teilchen kann nur diskrete (potentielle) Energiewerte annehmen.

Herstellung

In der Halbleitertechnologie werden Quantentöpfe hergestellt, indem eine Schicht eines Halbleiters geringerer Bandlücke (z. B. GaAs) zwischen zwei Schichten eines Halbleiters größerer Bandlücke (z. B. AlGaAs) eingebettet wird. Derartige Strukturen werden auch als Quantenfilm bezeichnet.[1] Ein weit verbreitetes Verfahren zur Herstellung solcher Heterostrukturen ist bspw. die Molekularstrahlepitaxie, die Schichtdickenkontrolle bis in den Bereich von Einzelschichten (engl. monolayer) ermöglicht. Um gute Schichtqualitäten zu erreichen, ist unter anderem zu beachten, dass die verwendeten Materialien gitterkompatibel sind, d. h., eine hinreichend ähnliche Kristallstruktur (u. a. Gitterkonstante) aufweisen.

Anwendungen

In der zweidimensionalen Anordnung des Quantentopfs weisen die Elektronen und Löcher darin eine andere Zustandsdichte auf als im dreidimensionalen Kristall. Andere, in der Nanotechologie und Forschung studierte niedrigdimensionale Quantensysteme, sind bspw. Quantendrähte oder Quantenpunkte.[2]

Es können durch gezieltes Dotieren (hochbewegliche) zweidimensionale Elektronensysteme hergestellt werden, die Anwendungen z. B. in HEMTs (engl. high-electron-mobility transistor) finden. Weitere Anwendungen sind z. B. der Quanten-Kaskaden-Laser, Diodenlaser oder Quantentopf-Infrarot-Photodetektor.

Literatur

Einzelnachweise

  1. ↑ Sven Höfling: Laserdioden mit Polaritonen. In: Physik Journal. Band 13, Nr. 8/9. Wiley-VCH, 2014 (pro-physik.de).
  2. ↑ Springer Handbook of Nanotechnology (= Springer Handbooks). Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg 2017, ISBN 978-3-662-54355-9, doi:10.1007/978-3-662-54357-3 (englisch, springer.com [abgerufen am 30. Januar 2023]).
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