DE102009041642A1 - Quantendrahtarray-Feldeffekt-(Leistungs-)-Transistor QFET (insbesondere magnetisch - MQFET, aber auch elektrisch oder optisch angesteuert) bei Raumtemperatur, basierend auf Polyacetylen-artige Moleküle - Google Patents

Quantendrahtarray-Feldeffekt-(Leistungs-)-Transistor QFET (insbesondere magnetisch - MQFET, aber auch elektrisch oder optisch angesteuert) bei Raumtemperatur, basierend auf Polyacetylen-artige Moleküle Download PDF

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Abstract

Leistungstransistor,
dadurch gekennzeichnet, dass es sich handelt um:
Ein Quantendrahtarrayfeldeffekt-Leistungstransistor: Ein 2-dimensionales Array sehr vieler dicht gepackter, vertikal oder bis zu 30 Grad – auch in Gruppen zueinander – geneigter, in einer isolierenden Schicht eingebetteter, geometrisch paralleler und – auch jeweils in Gruppen – elektrisch parallel geschalteter echter Quantendrähte (1), welche Source- und Drain- Kontakt des Quantendrahtarray-Feldeffekttransistor verbinden und bei Raumtemperatur funktionieren, kollektiv oder einzeln gesteuert oder geschaltet durch ein zeitlich veränderliches elektromagnetisches Feld, also ein quasi-statisches bzw. ein dynamisches.
dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungstransistor besteht aus:
vielen parallelgeschalteten, lichtstrahl-geraden und extrem dünnen echten Quantendrähten (1), die echte 1-dimensionale ideale Leitfähigkeit ausweisen,
wobei diese echten Quantendrähte erzeugt werden durch Lichtstrahl-geraden Durchflug einzelner hochenergetischer schwerer Ionen durch eine elektrisch isolierende Schicht von diamond-like-carbon oder SiC oder Polymer,
wobei diese echten Quantendrähte single walled carbon nanotubes oder Polyethine-artige gestreckte Moleküle der...

Description

  • Zusammenfassung: Ein, mehrere oder sehr viele parallele Quantendrähte (z. B. insbesondere 1-dimensional quantenleitfähige Schwerionen-Teilchenspuren – „echte” Quantendrähte bei Raumtemperatur – siehe EP1096569A1 [1] und [2], oder auch eventuell SWCNTs (single walled carbon nanotubes)), vertikal ausgerichtet oder auch leicht geneigt – bis ca 30 Grad – in einer 2-dimensionalen Ebene angeordnet wie in [1], welche hier nun als 2-dimensionales Array den Source und Drain Kontakt des erfindungsgemäßen Transistors verbinden, werden bzgl. ihrer quantenmechanischen Leitfähigkeit über die Stärke eines angelegten räumlich variablen äußeren Magnetfeldgradienten oder homogenen Magnetfeldes moduliert bzw. geschaltet [3]. Bei den Quantendrähten handelt es sich im Idealfall um Polyacetylen-artige gestreckte Moleküle (1a), die durch die Energiedeposition beim Durchflug jeweils eines einzelnen schnellen Schwerions durch die isolierende DLC-Schicht gebildet werden. Die Schaltzeit des Transistors , hier QFET (Quantendrahtarrayfeldeffekttransistor) genannt, wird praktisch nur durch die Steuerzeit des Magnetfeldes (Zeitkonstante des magnetischen Gates) bestimmt, der Ohmsche Widerstand der Source-Drain Verbindung ist ja im leitenden Zustand des Quantendrahtes Null. Das steuernde „Gate”-Magnetfeld mit einer Komponente senkrecht zu den Quantendrähten kann durch einen kleinen Steuerstrom durch eine Induktivität (Ausführungsbeispiel 1, 3a) erzeugt werden oder auch durch geeignete (lokal variable) Ausrichtung der Magnetisierung in einer ferromagnetischen Schicht (z. B. Fe, Co, Ni) – Ausführungsbeispiel 2, 3b –, oder auch z. B. in einer Schicht bestehend aus metallischen (ferromagnetischen) Nanopartikeln (z. B. Fe, Co, Ni) oder auch „stromlos” durch eine geladene Spitze (Ausführungsbeispiel 3a analog wie in 3a) oder durch die geeignete Polarisierung einer ferroelektrischen Schicht oder Flüssigkristallen/Nanopartikeln in einem elektrischen Feld – Ausführungsbeispiel 3b, wie 3b. Der Quantendraht-Transistor kann auch optisch geschaltet/gesteuert werden. Anwendung im Falle sehr großer Arrays (>1010 parallele QDs) wäre ein Leistungstransistor, im Falle sehr kleiner Arrays (einzelne oder wenige parallele QDs) wäre es nicht-flüchtige Informationsspeicherung, wobei aufgrund der Eigenschaften 1-dim-quantisierter Leitfähigkeit eine Multilevel-Logik eingesetzt werden kann. Im Falle der optischen Schaltung/Steuerung des Quantendrahttransistors ist ein höchstauflösendes 2-dimensionales Array von Photodetektoren denkbar, wobei die QDs dann einzeln kontaktiert werden müssen, was vermutlich dann die Limitierung der Pixeldichte festlegt.
  • Die Messanordnung (1) zur Vermessung der charakteristischen Kennlinien Isd-Usd einzelner „echter” Quantendrähte bei Raumtemperatur besteht im wesentlichen aus einem kombinierten Rasterkraft- und Rastertunnelmikroskop (AFM/STM), wobei die elektrisch leitfähige Abtastspitze am Ende der Abtastfeder zunächst zeilenweise über den vertikalen Quantendrahtarray gerastert wird. Dann wird die Rasterung über dem Terminus eines einzelnen Quantendrahtes gestoppt und dessen I-V-Kennlinie über einen Schutzwiderstand (mindestens 25,8 kΩ bzw. mindestens 6,45 MΩ) vermessen, wobei die Abtastspitze in Kontakt mit dem als Source-Kontakt definierten Ende des Quantendrahtes ist. Die anderen (unteren) Enden der Quantendrähte, also die Gesamtheit der Drain-Kontakte sind im wesentlichen über einen Schutzwiderstand (mindestens 25,8 kΩ bzw. mindestens 6,45 MΩ) und einen I-V-Converter auf Masse geschlossen. Die charakteristischen Kennlinien eines „echten” Quantendrahtes sind einerseits durch eine nichtlineare Treppenkennlinie (2a) Isd-Usd auf der 100 mV bis 1 V Skala charakterisiert und andererseits durch ein flache Kennlinie (0-Linie) innerhalb der Plateaus, insbesondere des 0-Plateaus mit extrem scharfen Strompeaks (2c) um die Spannung 0 V +/– 100 mV herum im Abstand von etwa 2 mV. Die Treppenkennlinie ist ein funktionales Merkmal insbesondere der Ladungsquantisierung, die scharfen Strompeaks vor allem im 0-Plateau sind ein funktionales Merkmal der Leitfähigkeitsquantisierung – beide Merkmale sind notwendig um von einem „echten” Quantendraht mit 1-dimensionaler Leitfähigkeit sprechen zu können, die Ladungsquantisierung alleine genügt nicht. Beim Anlegen eines Gatefeldes bricht die ideale 1-dimensionale Leitfähigkeit in den einzelnen echten Quantendrähten sofort zusammen, im Falle eines B-Feldes senkrecht zum Quantendrahtdraht durch starke Streuung der Elektronen an der Wand des Quantendrahtes, sehr vereinfacht vorstellbar als eine Art Halleffekt im 1-dimensionalen Leiter. 2b zeigt die Treppenkennlinie stark moduliert durch ein äußeres Gate-Feld. Dies ist möglich, da die quantisierte 1-dimensionale Leitfähigkeit eines „echten” Quantendrahtes extrem empfindlich auf äußere Felder, insbesondere elektromagnetische, reagiert und im einzelnen Quantendraht bei geringsten angelegten Feldern ganz zusammenbricht. Dieses funktionale Merkmal wird ermöglicht durch die extrem störungsfreie geometrische 1-Dimensionalität der hier verwendeten Ionenspur-Quantendrähte, die kerzengerade wie ein Lichtstrahl sind und extrem geringen Durchmesser aufweisen (O(1 nm) oder kleiner). Im Idealfall bestehen sie aus gestreckten Polyacetylen-artigen Molekülen der Form: ...=C=C=C=C=C=C=C=... Im Falle eines angelegten B-Feldes kann man sich die Störung der 1-dimensionalen Leitfähigkeit wie eine Art Halleffekt im Quantendraht vorstellen und die ideale Leitfähigkeit bricht im einzelnen echten Quantendraht sofort zusammen aufgrund der Streuung der ballistischen Elektronen im Quantendraht mit dessen Wänden/Begrenzungen.
  • Die 1-dimensional quantisierte elektrische Leitfähigkeit der Quantendrähte hier genauer gesprochen, ist hier tatsächlich dadurch gekennzeichnet, dass die Source-Drain-Stromspannungs-Kennlinie (Isd gegen Usd aufgetragen) bei Raumtemperatur erstens (siehe 2a) eine Treppenkennlinie ist (mit Stufen/annähernd Plateaus auf der 0.2–0.5 V Skala auf der Usd-Achse) mit bei höheren Spannungen auftretendem negativen differentiellen Widerstand (ausgelöst durch Esaki-Tunneln „heisser Elektronen”), und dass zweitens (siehe 2c) insbesondere in einem Usd-Bereich in der Nähe von 0 V, also insbesondere im ersten Coulomb-Supressions-Niveau extrem scharfe Strom-(Isd)-Peaks auftreten, ausgelöst durch (Quanten-)Peaks in der 1dimensionalen Conductance (differentielle Leitfähigkeit) bei Source-Drain Spannungen Usd im Abstand von etwa 2 mV auftreten. Es wurden nadelartige Strom-Peaks (Isd) von bis zu mA Höhe beobachtet Usd deutlich unterhalb von 50–200 mV. Es wird hier insbesondere betont, dass hier in 2 Kennlinien Isd versus Usd gemessen und dargestellt wurden, und nicht – wie sonst üblich – Isd gegen eine Gatespannung bzw. eine Gate-Feldstärke (z. B. B) aufgetragen wurde. Im Falle Isd versus Gatefeld ergibt sich eine Treppenkennlinie durch Ladungsquantisierung (Coulomb-Blockade) alleine, im Falle Isd versus Usd ergibt sich eine Treppenkennlinie, insbesondere aber die quantisierten Conductance Peaks erst wenn tatsächlich 1-dimensionale ballistische Leitfähigkeit – also ein Tunneln der Leitungselektronen durch die 1-dimensionalen Quantenzustände wie in einem Wellenleiter – vorliegt, die laterale Ausdehnung des Quantendrahtes in der Größenordnung der Fermiwellenlänge (O(wenige Angström bis 1 nm)) der Elektronen liegt, nicht nur in der der mittleren freien Weglänge oder Phasen-Kohärenzlänge (bzgl. der diffusiven Streuung der Elektronen an Atomen, anderen Elektronen, an Phononen), die viel größer sind. Die Theorie hierzu wird behandelt z. B. in [4]. Die Kennlinien können aber natürlich auch moduliert werden durch äußere Gatefelder, auch bei Raumtemperatur: Die echten Quantendrähte besitzen IV-Kennlinien, die gekennzeichnet sind dadurch, dass diese Source-Drain Kennlinien Isd versus Usd entlang eines solchen „echten” Quantendrahtes sehr empfindlich moduliert oder gesteuert oder geschaltet werden können, da sie auf Elektronen-Transmission durch 1-dimensionale quantenmechanische Zustände beruhen, durch angelegte äussere „gatende” Felder – magnetisch, elektrisch/elektroakustisch (2b), optisch (4b); in 2b wird hervorgehoben wie deutlich die Treppenkennlinie die Einhüllende der Gatefeldmodulation darstellt, wobei die wiederum die x-Achse nur die Spannung Usd darstellt und nicht das Maß des Gatefeldes.
  • Insbesondere falls Source- und Drain-Elektrode – die mikrostrukturiert sein kann – auch ballistische Leitfähigkeit aufweisen (siehe z. B. [5], für den Fall von Wolfram und Molybdän bei sehr tiefen Temperaturen), z. B. bestehend aus kristallinem Kupfer oder Gold eventuell schon bei moderat tiefen Temperaturen oder Supraleiter bei tiefen Temperaturen oder gar ein 2-dimensionales Elektronengas – 2DEG – bei Raumtemperatur wären und der 2-dimensionale Nanodraht-Array aus sehr gut identischen Quantendrähten (Geometrie, Material) besteht, würden -Ausführungsbeispiel 5, 5 – phasenabhängige (Wellenfunktion der ballistischen Elektronen) Effekte der ballistischen Leitfähigkeit in den Quantendrähten die Empfindlichkeit der Transistorfunktion (gain) erheblich verstärken, da z. B. ein angelegtes (inhomogenes) B-Feld(-Komponente) senkrecht zu den Quantendrähten sofort unterschiedliche Phasenverschiebungen der Wellenfunktion (freies Elektron im 1-dim Elektronengas, bzw. Elektron das durch einen 1-dimensionalen Quantenzustand transmittiert wird, hinein- und heraustunnelt) in den vielen Quantendrähten hervorruft und sich der Summenstrom durch alle Drähtchen stark reduzieren würde – ganz analog zu einem quanteninterferenz device, z. B. einem SQUID. Dieser Effekt würde wohl auch schon auftreten, wenn auch schwächer, wenn die Elektroden keine idealen Metalle sind oder gar 2DEGs/Supraleiter sind, also bei Raumtemperatur. Ein 2DEG als Source- und Drain Elektrode würde natürlich auch bei Raumtemperatur funktionieren und wäre der Idealfall.
  • Der Strom durch Quantendrähte kann auch optisch moduliert werden (Ausführungsbeispiel 4, 4a) durch in etwa infrarotes Licht, da dann Anregungen zwischen den Quantenzuständen der Quantendrähte stattfinden (z. B. [6]). Experimentell zeigt sich, dass mit der erfindungsgemäßen Anordnung sogar Strom wie in einer Solarzelle erzeugt werden kann (4b, Stromfluss von einigen 0.1 nA bei Spannung 0 V unter Lichteinwirkung durch einen einzelnen Quantendraht, wobei der genaue Leistungs-Beitrag des Quantendrahts noch nicht ermittelt werden konnte aufgrund der 2 anderen ebenfalls und sogar flächig beleuchteten Heteroübergänge der Messanordnung, die aber alleine weder ein ausgeprägtes Plateau noch einen Strom Isd bei Usd = 0 in der Isd-Usd-Kennlinie – wie das in 2d sichtbar – liefern und ohne den Quantendraht einen Faktor 1000 höheren Strom bei gleicher Spannungswobbelung liefern – also eine um Faktor 1000 steilere Kennlinie ohne Plateaus. Bei einer Gegenspannung von etwa 0.2 V wird der Strom auf Null gedrückt, damit ergibt sich eine (Gesamt-)Leistung der (einzelnen) Quantendrahtphotozelle von 0.02 nW. Werden die Quantendrähte im Array einzeln kontaktiert, können also einzeln „ausgelesen” werden, kann aufgrund der Photosensitivität der QDs ein höchstauflösendes Photodetektor-Array realisiert werden (mehr als 1 Pixel pro (100 nm)2. Diese Kontaktierung könnte durch eine Widerstandskaskade ähnlich wie in einem Schieberegister oder einem CCD-Array realisiert werden – moderne (mitunter aufwändige) Lithographieverfahren erlauben diese kleinen Strukturbreiten. Bei einer so hohen Pixeldichte (bis etwa 1012 pro cm2 wären erreichbar) kann man von einer künstlichen Retina sprechen.
  • Primäres, am einfachsten zu realisierendes Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen mesoskopischen quanten-elektronischen Bauteils ist ein Leistungstransistor, in welchem der Strom durch jeden von ca 1010 parallelen Quantendrähte/cm2 durch ein Magnetfeld moduliert (wie in 2b) oder geschaltet wird, wobei die sich aus der Summe aller Quantendrahtströme ergebende Kennlinie eines solchen Magnetfeldeffekt-Leistungstransistors durch Einstellung der räumlichen Variation des Magnetfeldes über das 2dim QD-Array hinweg maßgeschneidert werden kann. Das kann realisiert werden im einfachsten Fall z. B. durch einen vom spitzenförmigen Weicheisenkern einer Spule ausgehenden starken und variablen B-Feld-Gradienten (einstellbares inhomogenes B-Feld) oder durch einen ferromagnetischen Film – z. B. aufgebracht auf die Source-Elektrode, dessen Magnetisierung lateral variierend „beschrieben” werden kann, und diese Magnetisierung dann natürlich nicht flüchtig speichert, auch wenn die Elektro-(magnetische) Spitze entfernt wird. Bei einem Strom von ca mA pro Quantendraht (bei ca 1 V angelegter Source-Drain-Spannung) ist also ein gesteuerter Strom von ca 10 A pro cm2 Bauteilfläche möglich. Dieser LeistungsQFET zeichnet sich aus durch sehr niedrigen Sperrstrom (< 0.001 des Laststromes); denn der Rauschuntergrund bei der Strommessung in einzelnen Quantendrähten ist < pA bei 1 nA Stromstärke entlang des Quantendrahtes. Der Source-Drain Strom kann auch optisch moduliert werden, ähnlich anwendbar wie ein Photo-Thyristor. Werden die parallelen QDs in kleinen Gruppen (wenige parallele oder auch einzelne QDs) kontaktiert, kann durch die oben erwähnte „beschreibende” Magnetisierung ein Computer-Massenspeicher realisiert werden – siehe Patentanspruch 9.
  • Ein Herstellungsverfahren eines für einen solchen erfindungsgemäßen Leistungstransistor nötigen Arrays von sehr vielen parallelen vertikal in einer isolierenden Schicht (z. B. DLC, SiC, Polymere) eingebetteten Quantendrähten ist in EP1096569A1 [1] ausführlich beschrieben, wobei die erreichbare Maximaldichte vertikaler paralleler Quantendrähte, die gerade noch genügend voneinander elektrisch isoliert sind, ca 1011 Drähte/cm2 beträgt. Da die Schwerionen-Teilchenspuren klare Quantisierungseffekte bei Raumtemperatur zeigen (Treppen-I-V-Kennlinie, Quanten-Conductance-peaks „entlang” des Quantendrahtes), also Raumtemperatur-Quantendrähte sind, erzeugt die gerichtete Einwirkung einzelner hochenergetischer Ionen (d. h. extrem hohe Energiedichte) vermutlich einzelne SWCNTs oder Polyacetylen-/Polyethine-artige gestreckte Moleküle der Form ...=C=C=C=C=C=C=C=... durch extrem lokale Graphitisierung des DLC-Materials; denn solche Stufen-Kennlinien oder gar Quanten-Conductance-peaks in der Source-Drain Kennlinie entlang des Quantendrahtes (also nicht nur Stufen in der Conductance als Funktion einer Gatespannung!!) wie in 2a und insbesondere 2c (bei Raumtemperatur!) werden bei Raumtemperatur erst in quasi-1DEGs mit einer lateralen Ausdehnung kleiner als etwa 1 nm sichtbar. Ähnliche anmutende Conductance-Peaks im Coulomb-Strom-Unterdrückungsniveau, allerdings als Funktion von Ugate (und nicht von Usd wie hier) werden in [7] bei extrem tiefen Temperaturen (100 mK) in Quanten-Dots (und nicht 1 dimenasionale Quantendrähte wie hier) beobachtet; Analogien der grundsätzlich zugrunde liegenden theoretischen Physik (Einzel-Elektron-Transmission durch Quantenzustände, hier 1-dimensionale, in den Zitaten 0-dimensionale) mit den hier beobachteten Effekten ist mir noch unklar, auch die theoretische Untersuchung in [8] beschreibt „Quantum dots”, nicht „Quantum wires” und conductance peaks als Funktion der Gatespannung. Im Falle von CNTs kann man Usd und Usource-gate nie ganz unabhängig voneinander betrachten. Als Substrat für den DLC-Film in dem die Quantendrähte durch Beschuss mit (vielen) einzelnen hochenergetischen schweren Ionen erzeugt werden, kann über EP1096569A1 [1] hinaus neben (hochdotierten) leitfähigen Halbleitereinkristall-Wafern auch anderes auf der nm-Skala (im Falle von Si-wafern nahezu atomar) flaches, elektrisch sehr gut leitfähiges Material dienen, wie z. B. kristalline Metallfilme (z. B. Gold, Pt, Pa, Cu), z. B. auf Glimmer aufgebracht. Ideal wäre ein hochdotierter Halbleiter, der mit der isolierenden DLC-Schicht am Heteroübergang instantan ein 2DEG bei Raumtemperatur bildet. Dasselbe gilt natürlich für die Deckschicht-Elektrode, die jedoch dünn sein muss, damit die Gatefeldeffekte bis zu den Quantendrähten herunterreichen, bzw. für die optische Strommodulation transparent sein muss. In EP1096569A1 [1] bewegten sich die in einem isolierendem Film eingebetteten Quantendrahtlängen im Bereich von ca 100 nm – hier festgelegt durch die Schichtdicke der isolierenden, die Drähte einbettenden Matrix. Die Reichweite der schnellen Schwerionen im Schichtmaterial ist viel höher (ca 1–5 nm/(keV/nucleon)). Maximal mit realistischem Aufwand erreichbar in der dort verwendeten isolierenden Filmmatrix (z. B. elektrisch isolierendes DLC, eventuell auch kristallines SiC) wären etwa 30 μm Ionenspurlänge bei ca. 11 MeV/nucleon Teilchenenergie. Bei einer Spannungsfestigkeit von ca. 150 V/μm in diamantartigem Kohlenstoff ( EP 0408966 ) [9] ergäbe sich eine maximale Obergrenze der Durchschlagsfestigkeit des erfindungsgemäßen Leistungstransistors von 5 kV, natürlich limitiert allerdings dann durch die Spannungsfestigkeit der Quantendrähte selbst, wegen theoretisch R ≅ 0 also durch deren Stromfestigkeit, wobei bisher bis ca 10 nA pro Quantendraht (bei wenigen Volt) gerade noch die typischen bekannten Quantisierungeffekte (Treppen-IV-Kennlinie) sichtbar waren ( EP1096569A1 ) [1]. Das würde bedeuten also ca 1 kA bei etwa einigen Volt, also ca 1 kWatt maximale gesteuerte Leistung pro cm2 Bauteilfläche bei 1011 QDs/cm2.
  • Ein weiteres äußerst interessantes Herstellungsverfahren für ein so großes 2-dimensionales Array von vertikalen Drähten mit Durchmessern im Nanometerbereich (typisch 20–50 nm) und einer Dichte von auch etwa 1 Draht pro (100 nm)2 ist in US6566704B2 [10] vorgestellt, wobei dort die aufgewachsenen Nanodrähte aber deutlich größer im Durchmesser sind als bei EP 1096569A 1 [1], es werden aber auch 1–2 nm als prinzipielle Möglichkeit erwähnt. Die Nanodrähte in 7 in US6566704B2 [10] weisen zwar – allerdings nur bei extrem tiefen Temperaturen (4.2 K) – bereits eine stark nichtlineare I-V-Kennlinie mit breitem Plateau auf, was zwar auf Einfluss von Coulomb-Blockade Effekten schließen lässt, aber noch lange keinen Quantendraht mit 1-dimensionaler ballistischer Leitfähigkeit und Treppenkennlinie/Conductance-Peaks darstellt. Single walled carbon nanotubes (SWCNT) sind zwar als „echte” Quantendrähte allgemein akzeptiert, aber die sind viel dünner, wenige nm im Durchmesser (ca 1 nm), hier in US6566704B2 [10] liegen sicherlich für die Messung noch die viel breiteren MWCNTs vor, es wird ja auch „nur” ein „Vertical Nano size transistor using carbon nanotubes and manufacturing method thereof” beansprucht und kein Quantendraht-Array-FET bei Raumtemperatur, wie hier beansprucht. Ein weiteres äußerst interessantes Herstellungsverfahren eines Arrays von extrem dünnen (0.4 nm) metallisch-kristallinen Nanodrähten wird in [11] beschrieben. Die elektrische Charakterisierung einzelner dieser Drähte steht meines Wissens noch aus, die elektrische Kontaktierung ist sicher sehr schwierig.
  • Der erfindungsgemäße Transistor würde bereits bei Zimmertemperatur funktionieren. Durch die magnetfeldabhängigen Phaseneffekte der elektronischen Wellenfunktion würde er signifikant empfindlicher funktionieren wenn als Source- und Drain-Elektroden 2DEGs realisiert werden können, auch dies bei Raumtemperatur. Dann stellt die Gesamtheit bestehend aus dem 2dim Array von parallelen (aufrecht stehenden) Quantendrähten und idealen Metallelektroden ein Quanteninterferenz-Device dar, das man im weiteren Sinne als ein Modellsystem zum Verständnis eines 1-dimensionalen Pseudo-Supraleiters bei nahezu Raumtemperatur betrachten kann, (1-dimensionale idealer elektrischer Leiter, resultierende Phase der superpositionierten Wellenfunktionen, Magnetfeld senkrecht zu den QDs könnte beim Einschalten aus dem Quantendraht-Array verdrängt werden – wegen der Phasenverschiebungen der Einzel-Wellenfunktionen gegeneinander in den einzelnen zu Schleifen (quids) „kurzgeschlossenen” QDs (siehe EP1096569A1 [1]) – für die der Aharonov-Bohm Effekt sorgt, auch wenn in den Drähten selbst kein B-Feld wäre.), wobei etwaige Verdrängung von Magnetfeldern im Inneren der Drähte noch zu klären wäre [14]. Eine 1 cm2 große Solarzelle in dieser erfindungsgemäßen Anordnung, bei der durch Lichteinwirkung (633 nm) von etwa 0.5 mW fokussiert auf etwa einen 30 μm Fleck (wovon nur ganz grob geschätzt < 1% die Quantendrahtarray-Oberfläche tatsächlich erreicht, da verdeckt durch die Messspitze) in einem einzelnen Quantendraht ein Strom von Ordnung 0.1 nA erzeugt wird, der bei einer Gegenspannung von ca 0.2 V auf Null gedrückt wird, würde bei 1010 parallelen Quantendrähten pro cm2 und bei äquivalent etwa 1 cm2 × (30 μm)–2 × 0.5 mW × 0.01 = 0.5 W Lichtleistung einen Strom von 1 A liefern bei einer Gleichstrom-Leistung von 0.2 Watt, das wäre also ganz grob ein Wirkungsgrad von 40%. Hierbei ist, wie oben bereits erwähnt, unklar, wie groß der Einfluss anderer etwaiger lichtempfindlicher Übergänge im Messaufbau ist: Hochdotiertes Si-Substrat – graphitische QDs – halbleitende Abtastspitze (hoch B-dotierter Diamant). Das 2dim Array paralleler Quantendrähte könnte auf der Licht-zugewandten Seite mittels leitfähigem ITO-Glas zusammengeschaltet sein, oder auch zur Effizienzerhöhung durch kristalline und sehr dünne und daher annähernd transparente Metallfilme zusammengeschaltet sein, auf der Unterseite wie in EP1096569A1 [1] mittels einem hochdotierten leitfähigen Halbleitereinkristall-Wafer oder einem anderen flachen gut leitfähigen Substrat, idealerweise einem 2DEG.
  • Problem: In der Leistungselektronik stellen sich vor allem 2 Probleme: Verlustleistung durch Hitzeentwicklung und Steuerströme sowie relativ lange Schaltzeiten. Quantenelektronik kann diese Probleme lösen, da ballistische Elektronen-Leitfähigkeit (des Laststromes) in einem quantenelektronischen Transistor/Schalter ohne Ohmsche resistive Verluste abläuft (R = 0 theoretisch) sowie die unmittelbare, extrem empfindliche Steuerung/Schaltung des quantenelektronischen Elements durch ein Feld verlustfrei und praktisch instantan abläuft. Mittelbar muss das „Gate” eines Quantentransistors durch ein elektromagnetisches Feld (magnetisch, elektrisch, optisch) angesteuert werden und alleine die Erzeugung dieses kleinen Steuer-Feldes bestimmen Verlustleistung und Zeitkonstante des Transistors/Schalters. Zusätzlich gibt es bei solch einem quantenmechanischen Transistor/Schalter/Relais keinerlei mechanische Kontakte (wie bei mechanischen Relais) zwischen Gate und dem quantenmechanischen Source-Drain Element. In der Speicher-Technik steht bisher üblicherweise nur eine 1-Bit-Logik der einzelnen Speicherzellen zur Verfügung (Strom an oder aus beim Auslesen von GMR-Festplatten bzw. Kondensator geladen oder nicht bei DRAMs oder Flash-RAMs); Quantenelektronik wie in den hier benutzten Quantendrähten gewährleistet eine Multilevel-Logik in einer Speicherzelle (Strom an/aus in mehreren Stufen, scharf getrennt messbar im Idealfall) und damit eine viel höhere Speicherdichte.
  • Stand der Technik: Leistungstransistoren/Schalter beruhen heutzutage auf bipolaren (pn–) Übergängen (Thyristoren) oder optimierten MOSFETs mit gewissen Verlustleistungen und Zeitkonstanten [12]. Auch wenn in MOSFETs bereits 2-dim Elektronengase (2DEGs) eine Rolle spielen, spricht man dabei im allgemeinen noch nicht von einem quantenelektronischen Transistor, hauptsächlich weil Einzelelektroneneffekte nicht auftreten, die „Körnigkeit” der Ladung keine Rolle spielt. Quantenelektronische Transistoren (single electron transistor – SET) wurden bereits lange theoretisch vorhergesagt und experimentell demonstriert (z. B. [13], [14] und Referenzen darin), meist durch Ausnutzung der Colomb-Blockade (Ladungsquantisierung) alleine aufgrund der 0-dimensionalen Einengung des Elektrons (Ausdehnung des „Quantenpunktes” kleiner als die mittlere freie Weglänge/Streulänge des Elektrons im Material) in einem sehr kleinen metallischen oder halbleitenden Nanopartikel/Kompartment, zumeist bei extrem tiefen (wenige Kelvin) Temperaturen, (z. Teil aber auch bei Raumtemp. im Falle von Molekülen als Nanopartikel), ge-„gated” meist durch ein variables statisches elektrisches Feld. In jüngerer Zeit wurden auch Carbonnanotubes (CNTs – SWCNTs stellen Quantendrähte, wie allgemein – wohl nicht immer korrekterweise – akzeptiert, dar) und andere Moleküle, ge-„gated” durch ein elektrisches Feld als SETs bei Raumtemperatur demonstriert (z. B. [15], [16] und Referenzen darin, [17]), aber meines Wissens wurde dabei noch keine echte Transmission durch 1-dimensionale Quantenzustände (Treppen-IV-Kennlinie, Conductance peaks in der Source-Drain-IV-Kennlinie entlang des Nanodrahtes) bei Raumtemperatur beobachtet. In [14] werden tatsächlich Aharonov-Bohm Oszillationen innerhalb eines 1-dim metallischen Zylinders beschrieben, allerdings bei extrem tiefen Temperaturen (ca 1 Kelvin), welche nur in einem annähernd 1 dimensionalen ballistischen Leiter sichtbar werden. Logische Schaltungen unter Benutzung von CNT-Nanodrähten wurden auch schon beschrieben in [17a]. In Form von Arrays parallel-geschalteter Nanodrähte z. B. CNTs, angesteuert durch ein E-Feld (Gate-Elektrode), wurden auch schon Leistungstransistoren vorgeschlagen ( DE 10 2004 003 374 A1 [18]), aber bisher meines Wissens nur mit ca 300 CNTs in einem nur 1-dimensionalen (d. h. linearen) Array und keinem flächigen Array realisiert, das ergäbe nur ca 3 μA (max. 10 nA pro Nanodraht bei angenommenen 100 nm Länge, etwa das Minimum in der Länge um von annähernd 1dimensionaler Leitfähigkeit in einem Nanodraht einiger nm Durchmesser sprechen zu können) steuerbaren Laststrom. Quantisierungseffekte und deren Anwendung werden dort nicht beansprucht, das vertikale Wachstumsverfahren mit dem Ziel eines 2dimensionalen Arrays vertikaler Nanodrähte wie in DE 10 2004 003 374 A1 [18] ähnlich vorgeschlagen wie in US 6566704 B2 [10], liefert vermutlich keine SWCNTs, nur viel breitere MWCNTs die keine Quantisierungseffekte bei Raumtemperatur zeigen, höchsten eine moderate Coulomb-Blockade (Ladungsquantisierung alleine, oft durch kleine Kapazitäten in den Übergangskontakten hervorgerufen, keine wirklich 1-dim. Leitfähigkeitsquantisierung.
  • Bezüglich Datenspeicherung ist der allgemein bekannte Stand der Technik wie folgt: Im Falle von GMR-Festplatten wird mittels eines Schreib-Lesekopfes der Strom durch eine lokal magnetisierte (Schreiben der Bits) Schicht gemessen, und dadurch die Bits ausgelesen. Im Falle von DRAMs und Flash-RAMs wird der Ladungszustand eines Kondensators gemessen mittels einer Matrix-Schaltung/Schieberegister ähnlich wie einem CCD-Array.
  • Lösung (allgemein): Quantenelektronik kann diese Probleme der Verlustleistung/Hitzeentwicklung, und der Zeitkonstanten lösen und gleichzeitig eine Multilevel-Logik mit viel größerer Datenspeicherdichte gewährleisten. Dies ist möglich, da ballistische Elektronen-Leitfähigkeit, und insbesondere die Transmission einer Elektronenwelle entlang eines 1-dimensionalen Quantenzustandes, also letztendlich des Laststromes in einem quantenelektronischen Transistor/Schalter ohne Ohmsche resistive Verluste abläuft (R = 0 theoretisch) sowie die direkte, extrem empfindliche Steuerung/Schaltung des quantenelektronischen Elements Verlust-frei und praktisch instantan abläuft. Mittelbar muss das „Gate” eines Quantentransistors durch ein elektromagnetisches Feld (magnetisch, optisch, elektrisch) angesteuert werden und alleine die Erzeugung dieses kleinen Steuer-Feldes bestimmen Verlustleistung und Zeitkonstante des Transistors/Schalters. Zusätzlich gibt es bei solch einem quantenmechanischen Trasistor/Schalter keinerlei mechanischen Kontakte/Kontaktspannungen zwischen Gate und dem quantenmechanischen Source-Drain Element. Gewisse Übergangswiderstände treten natürlich an den (Tunnel-)Kontaktübergangen zwischen den einzelnen Quantendrähten und der Source- sowie Drain-Elektrode auf, die auch notwendig sind, damit der 1-dimensionale Quantenzustand überhaupt existieren kann; diese Übergangswiderstände zu den einzelnen Quantendrähten müssen mindestens etwa einige 10 kOhm groß sein, abhängig von der (winzigen) Kapazität der einzelnen QDs und von der gewünschten Schärfe der Quanten-Conductance-Peaks in der Isd-Usd-Kennlinie (mindestens h/e2 = 25,8 kOhm sich ergebend aus Heisenbergs-Unschärfe Relation). Im erfindungsgemäßen Leistungstransistor sind ja alle diese Widerstände wie auch die „Widerstände” (also (Reflexion plus Absorption)/Transmission) der QDs selbst parallelgeschaltet, der Gesamtwiderstand ist also klein. Der erfindungsgemäße Leistungstransistor hier schaltet ca 1010 vertikal in ca einer 1 cm2 großen Fläche parallel ausgerichtete Quantendrähte elektrisch parallel und steuert den ballistischen (Source-Drain) Strom durch diese Quantendrähte kollektiv oder einzeln variabel. Bei größenordnungmäßig einem Strom von einem nA durch einen QD, ergibt sich ein steuerbarer Strom von 10 A bei einer Bauteilausdehnung von etwa 1 cm2, wobei das Herstellungsverfahren des Quantendrahtarrays ( EP1096569A1 [1]) im Schwerionenbeschleuniger (z. B. bei GSI Darmstadt oder Ganil/CIRIL, Caen, France) bisher maximal etwa 25 cm2 × 1011cm–2 (entspricht etwa 2.5 kA maximaler steuerbarer Gesamtstromstärke) von einander elektrisch unabhängige Quantendrähte im 2dim Array realisieren kann. Es wird betont, dass die Stromstärke nicht in allen Quantendrähten gleich sein muss sondern durch auch beabsichtigte Inhomogenitäten des Gate-Feldes über die Gesamtbauteilfläche hinweg variieren kann und eventuell auch soll. Durch räumliche Variation des Gate-Feldes können die Kennlinien des gesamten Leistungstransistors in gewissen Bereichen maßgeschneidert werden. Mittels Rastersondenmethoden oder z. B. damit strukturierten Gate-Feld-Quellen (ferromagnetische oder ferrorelektrische Schichten – siehe oben) wird es natürlich möglich sein auch einzelne oder mehrere parallele QDs im Array gezielt zu schalten, falls gewünscht, die durch strukturierte Elektroden auf der „Oberseite” dann auch einzeln angesprochen werden können (siehe auch EP1096569A1 [1]). Herstellung solch feiner Elektrodenstrukturen (10 nm-Skala) ist mittels Elektronenstrahllithographie oder Rastersonden-Lithographie möglich, und die neuesten Imprinting-Verfahren und optischen Belichtungsverfahren (XUV) dringen auch bereits in diesen Bereich vor. Die Beschleuniger-Bauart-bedingte Flächenbegrenzung der 2dim Quantendrahtarray-Herstellung auf ca 25 cm2 ist im Prinzip durch ein Rasterscan-Verfahren (B. Fischer, GSI Darmstadt [19]) bei längeren Bestrahlungszeiten (Grössenordnung 30 min für 1011 Ioneneinschläge pro cm2 statt weniger Minuten für 1010/cm2 pro 25cm2-Bauteil) weit zu übertreffen, falls überhaupt nötig. Die QD-Dichte von maximal etwa 1011/cm2 bedeutet einen mittleren Abstand von etwa 30 qnm von QD zu QD. Bei einem Teilchenspur-Durchmesser von deutlich unter 5 nm (vermutlich ca < 1–2 nm) ( EP1096569A1 [1]) und einem QD-Durchmesser von < 1 nm (Conductance-Peaks bei Raumtemperatur, 2c) sind die QDs dann noch hinreichend elektronisch unabhängig, können aber wegen elektronischen Überlappungseffekten und anderen ungewollten Strahlenschäden bei der Herstellung (Stöße mit Sekundär-Ionen/Elektronen/X-rays) in der isolierenden Matrix sowie größeren lokalen Strahlenschäden an Oberflächen/Grenzflächen wohl nicht sehr viel enger platziert werden. Wird allerdings eine dünne Source-Elektrode bereits vor der Bestrahlung aufgebracht, werden die Strahlenschäden an der Grenzfläche zwischen DLC-Schicht und Source-Elektrode sicher geringer ausfallen als an einer DLC-Oberfläche und eine maximale Dichte des vertikalen QD-Arrays von 1012/cm ist vermutlich prinzipiell erreichbar – allerdings geht dann auch bei bisheriger Fluence des Ionenstrahls die Bestrahlungsdauer auf ca 5 Stunden hoch, aktuelle Maschinen haben aber sicher mittlerweile höhere Strahlströme als 1999. Das in EP1096569A1 [1] beschriebene Herstellungsverfahren der QDs fest eingebettet in z. B. einem DLC Film beinhaltet auch noch die sehr gewünschte Eigenschaft des Diamants von extrem hoher Wärmeleitfähigkeit und Transparenz für Licht, sollte also in dem erfindungsgemäßen Leistungstransistor mal z. B. durch eine Fehlfunktion die Ohm-lose Leitfähigkeit eines oder vieler QDs zusammenbrechen, wäre durch die hervorragende Wärmeableitung in der isolierenden Matrix eine Zerstörung des Bauteils veraussichtlich verhindert, vermutlich wären dann nur wenige QDs zerstört, was bei 1010/cm2 kaum eine Rolle spielt.
  • Lösung (konkret):
  • Leistungstransistor, -schalter, wobei es sich handelt um:
    Ein Quantendrahtarrayfeldeffekt-Leistungstransistor – hier Leistungs-QFET abgekürzt: Ein 2-dimensionales Array sehr vieler dicht gepackter, vertikal oder bis zu 30 Grad – auch in Gruppen zueinander – geneigter, in einer isolierenden Schicht eingebetteter, geometrisch paralleler und – auch gegebenfalls jeweils in Gruppen (bis hierhin wie in [1]) – elektrisch parallel geschalteter „echter” Quantendrähte, welche Source und Drain Kontakt des QFETs verbinden und bei Raumtemperatur funktionieren, kollektiv oder einzeln gesteuert/geschaltet durch ein elektromagnetisches Feld, ein quasi-statisches bzw. ein dynamisches. Diese echten Quantendrähte werden erzeugt durch Lichtstrahl-geraden Durchflug einzelner hochenergetischer schwerer Ionen durch eine elektrisch isolierende Schicht von diamond like carbon oder ähnlichem elektrisch isolierenden Matrixmaterial. Damit wird hier auch die Anwendung (Multilevel-Schaltbarkeit, multistabil, d. h. Schaltbarkeit des Quantentransistors in akuraten Stufen im Strom sowie unmittelbare Darstellung eines Digitalisierungsbausteins insbesondere wegen der definierten Peaks in der Leitfähigkeit einfach durch Abzählen der definierten equidistanten Peak-Abstände in der Spannung, 2c) beansprucht, die sich aus dem funktionalen Merkmal der einzelnen Quantendrähte hierbei ergibt, dass sie auch bei Raumtemperatur eine Treppen-IV-Kennlinie Isd versus Usd entlang des Quantendrahtes (also Strom Isd entlang des QDs als Funktion der Source-Drain Spannung Usd (2a bei Raumtemperatur) aufweisen, nicht nur als Funktion einer Gate-Spannung Ug, was die Coulomb-Blockade-Effekte alleine, also nur Ladungsquantisierung auch schon machen würden. Darüberhinaus wird auch das funktionale Merkmal der Quanten-Conductance-Peaks beansprucht, welches charakterisiert ist und hier manifestiert ist in Form von extrem scharfen Peaks im Strom Isd in dieser Isd-Usd Kennlinie entlang des „echten” QDs im Stromunterdrückungsplateau in der Nähe von 0 V, wo der Strom Isd versus Usd wie üblich durch Coulomb-Blockade- aber hier zusätzlich durch Conductance-Quantisierungs-Effekte unterdrückt ist „entlang” (d. h. also nicht als Funktion einer Gatespannung) des QDs (2c, bei Raumtemperatur!!); diese Source-Drain Kennlinien Isd versus Usd entlang eines solchen „echten” Quantendrahtes können allerdings trotzdem, da sie auf Transmission durch 1-dimensionale quantenmechanische Zustände beruhen, durch angelegte äussere „gatende” Felder (magnetisch elektrisch/elektroakustisch, optisch) sehr empfindlich moduliert/gesteuert/geschaltet werden (2b elektrisch/magnetisch/elektroakustisch und 4b optisch, alle bei Raumtemperatur). [2, 3, 4] Im Idealfall bei sehr identisch hergestellten „echten” QDs im 2dim Array sollten diese Source-Drain Kennlinien Charakteristika qualtitativ auch für die Gesamtheit der elektrisch parallel geschalteten QDs vorliegen, insbesondere wenn Source und Drain Elektrode ebenfalls ideale elektrische Leiter sind (z. B. 2DEGs bei Raumtemperatur, SLs bei tiefen Temperaturen oder als Kompromiss dünne kristalline Metallfilme bei moderat abgesenkten Temperaturen.
  • Transistor (Quantenspeicherzelle, QSZ) analog zu Patentanspruch 1., sowie 3. und 4., aber in diesem Betriebsverfahren reduzierend dadurch gekennzeichnet, dass:
    der Source-Drain-Strom, der nur durch ein oder wenige parallel-geschaltete „echte” Quantendrähte fließt, gesteuert wird durch äußere Felder und als nicht-flüchtige, (wieder-)beschreibbare Speicherinformation benutzt wird, ähnlich wie in EP1096569A1 [1], nur statt des ein „inneres” B-Feld erzeugendem dortigen QUIDs zur dynamischen (also flüchtigen) Schaltung/Auslesung des Quantendrahttransistors, wird nun ein ein „äußeres” Feld erzeugender „Elementarmagnet” zur Steuerung benützt, der in einem ferromagnetischen Film oder ferromagnetisches Nanopartikel über einem Terminal des/der QDs angesiedelt ist, und welcher z. B. durch die magnetische Spitze eines Rastersondenmikroskops „gesetzt” (magnetisiert) werden könnte, oder auch durch den raster-scannenden Schreibkopf einer HDD. Analog ist hier eine E-Feld Ansteuerung wie in Patentanspruch 4. genauso denkbar. Dies wäre ein Speicherverfahren für einen neuartigen Computer Massenspeicher, wobei der durch Ströme ausgelesene 2dim Quantendraht-Array rotieren könnte wie eine aktuelle auf dem GMR-Effekt basierende HDD. Der QD-Array könnte auch stationär sein und eine oder viele parallele Schreib/Lese-Abtastspitzen (elektrisch leitfähig und gleichzeitig dienend als Quelle für ein lokales Magnetfeld-/E-Feld) könnten benützt werden. „Viele” Abtastspitzen, also ein Array von Abtastspitzen ist ein ähnlicher Fall wie in US5835477 [20], aber dort wird die Speicherinformation ausschließlich über die Balkenfeder/Abtastspitze ausgelesen (und natürlich auch geschrieben), während hier die Abtastspitze(-n) primär nur zum Schreiben und Löschen der den Quantendraht-Stromsteuernden ferromagnetischen/ferroelektrischen Bits (mit Multilevel-Logik) dienen soll(-en), und der Quantendraht-(array) selbst durch eine stationäre „interne” Stromessung(-smatrix) ausgelesen wird – ähnlich wie in einem DRAM oder Flash-RAM (nur hier eine Strommessung anstelle dort einer Spannungsmessung) – wobei aber natürlich die Quantendraht-Stromstärken am einfachsten über die leitfähigen Abtastspitzen ausgelesen werden ganz analog zu einer gebräuchlichen GMR-Festplatte. Wie das Auslesen der Quantendrahtmatrix durch eine interne Strommessungsmatrix realisiert werden kann ist in EP1096965A1 [1] in Grundzügen beschrieben/angedeutet, wobei noch die Verbindung mit einer Widerstandskaskadenmatrix ähnlich der in einem DRAM, FlashRAM, CCD-Array wahrscheinlich notwendig würde. Weiter wird aufgrund des funktionalen Merkmals der Treppenkennlinie (Isd versus Vsd) und der Quanten-Conductance-peaks in Isd versus Usd eine Multilevel-Logik (Stromstufenschalter und Digitalisierer) realisierbar und beansprucht; sowie mit vielen parallelen Quantendrähten wird sogar ein Multilevel-LeistungsQFET realisierbar und beansprucht, der sich durch sehr niedrigen Sperrstrom auszeichnet. (Rausch-Untergrund für die Strommessung einzelner Quantendrähte beträgt etwa O(pA)). Nicht-flüchtigkeit ist bei der erfindungsgemäßen QSZ nicht analog zu DRAM (flüchtig) und Flash-Memory (nicht flüchtig) zu betrachten, da bei abgeschaltetem Strom zwar auch die (Strom-)Information in den Quantendrähten vorübergehend verschwindet, der Arbeitspunkt auf der Kennlinie aber durch das ferromagnetische/ferroelektrische (lokal „geschriebene” Gate nicht-flüchtig gespeichert ist und sofort wieder vorhanden, wenn der Strom natürlich bei sehr exakt gleicher Source-Drain Spannung wieder eingeschaltet wird, wobei als stabile exakte Stromversorgung ein erfindungsgemäßer Multilevel-Leistungstransistor dienen könnte. Aber eine nicht-flüchtige SD-Speicherkarte kann ja ohne Stromversorgung auch nicht ausgelesen werden und auch hier bei der erfindungsgemäßen QSZ steckt ja die nicht-flüchtige Information in der bleibend magnetisierten ferromagnetischen/ferroelektrischen Schicht. Patentanspruch 9 unterscheidet sich und grenzt sich ab von den vielfach in der Literatur vorgeschlagenen Nanodraht-FETs, auch der (MW)CNT-FETs (ein durch einen einzelnen Nanodraht/Qunatendraht – z. B. ein CNT – realisierter FET) dadurch, dass erstens der erfindungsgemäße Einzelquantendraht-Transistor durch ein Magnetfeld angesteuert und nicht durch ein elektrisches Gatefeld, (der erfindungsgemäße Transistor kann aber natürlich genauso sehr gut durch ein elektrisches Gatefeld gesteuert werden), zweitens dass eine Multilevel Logik gemäß Treppen- und Quanten-Conductance-peak-Kennlinien (Isd versus Usd) in 2a, b und c bei Raumtemperatur realisierbar ist, und damit drittens dass hier wirklich bei Raumtemperatur ein 1dim ballistischer Strom (sogar Transmissionsstrom durch einen 1dim Quantenzustand) durch einen „echten” Quantendraht gesteuert wird und nicht nur ein weitgehender von Coulomb-Blockade Effekten (Einzel-Elektron-Effekte, also Ladungsquantisierung, nicht Conductance Quantisierung) überlagerter Ohmscher Strom mit, Confinement-bedingt etwas reduzierter Streuung an den Wänden eines zwar sehr kleinen, aber im Vergleich zur Fermiwellenlänge (grob ca wenige Angström in metallischen Leitern bei Raumtemperatur) des Elektrons lateral doch in den meisten Fällen jedenfalls bei Raumtemperatur noch riesig ausgedehnten Nanodrahtes. Ein alleine auf Ladungsquantisierung (also ohne Conductance-Quantisierung in der Isd versus Usd Kennlinie) basierender Nanodraht liefert zwar eine Treppenkurve Isd versus Ugate, aber wohl keine Treppenkennlinie Isd versus Usd (2a) und schon gar keine Quanten-Conductance Peaks (hier manifestiert als extrem scharfe Peaks im Strom Isd) im Coulomb-blockierten Stromunterdrückungsplateau um Null Volt herum der Isd versus Usd Kennlinie entlang des „echten” Quantendrahtes (2c). Diese „ungewöhnlichen” Effekte werden auch in [22] in ähnlicher Weise angesprochen, hier ist aber auch Isd versus Usource-gate aufgetragen, wobei im erfindungsgemäßen Aufbau auch Usd in die isolierende Matrix „heinein-leckt” und dafür sorgt, dass die Quanten-Conductance Peaks in 2c langsam hin- und herdriften auf der Usd-Achse. In anderen Worten: Usd und Usource-gate „mischen” im Fall von CNTs. All diese Effekte werden in DE10036897C1 [21] z. B. nicht berührt, auch nicht bei den in der Literatur bekannten Nanodraht-(E-)Feldeffekttransistoren, (z. B. [15], [17]).
  • Die Beschreibung wird fortgesetzt und näher erläutert in folgendem Text:
  • Anhang-Beginn:
  • Zusammenfassung:
  • Ein Array von parallelen Quantendrähten welche vertikal eingebettet sind in einem dimanatartigen Kohlenstoff-(DLC-)Film auf einem hochdotierten Silizium Wafer (freundlicherweise zur Verfügung gestellt von [25, 26], siehe unten) wurde dargestellt und charakterisiert bei Raumtemperatur mittels Rasterkraftmikroskopie (AFM/SFM) mit einer leitfähigen Spitze und zeigte Coulomb blockade und negativen differentiellen Widerstand. Die Nanodrähte waren hergestellt worden mittels vertikalem Durchflug von 4,4 MeV/Nukleon and hochgeladenen Pb++-Ionen (durchgeführt von M. Toulemonde am GANIL, Ciril, Caen, F), wobei jedes Ion eine einzelne leitfähige latente Ionenspur in dem Film hinterlässt. I-V-Kurven (Stromstärke als Funktion der Spannung entlang des Drahtes, nicht als Funktion einer Gate-Spannung) durch einzelne Ionenspuren – wahre 1-dimensionale Quantendrähte – zeigten das typische Treppenstufen-Verhalten auf einer 100mV-Skala aber auch sehr scharfe Strom-Spitzen innerhalb des Coulombunterdrückungs-Plateau auf einer horizontalen Skala von mV, welche an das DOS (density of states) eines Quantendrahtes erinnert oder es sogar repräsentiert.
  • Einleitung:
  • Nanodrähte, und im Besonderen Quantendrähte waren Gegenstand sehr intensiver Forschung für viele Jahre im visionären Gebiet der Quanten- und Molekularelektronik [1, 2] und ist rasch – neben der Halbleiter/MBE Fabrikation von 2DEG's mit Gateelektroden-„Confinement” zu 1-dimensionalen Drahtstrukturen (z. B. [3]) – vorangeschritten seit der Demonstration einzelner molekularer elektrischer Kontakte [4] und seit der Entdeckung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen (oder auch Fullerenen) als elektrisch leitfähige Nanodrähte oder auch Nanopartikel [5, 6]. Sehr kürzlich, mehrere Verfahren zur Fabrikation von dicht gepackten, vertikalen Nanodrähten haben weite Aufmerksamkeit erregt, wobei beides, molekulare [7] und metallische [8] Kozepte demonstriert wurden. Hochenergetische Schwerionentechnologie (ein Überblick z. B. in [11, 12]) wurde benützt um solch einen Array von vertikalen Nanodrähten eingebettet in einem isolierenden DLC-film auf einem dotierten Si-Wafer zu fabrizieren und die quantenmechanische elektronische Leitfähigkeit konnte tatsächlich bewiesen werden (siehe auch [9, 10]) und im Detail bei Raumtemperatur unter Umgebungsluftbedingungen charakterisiert werden mittels eines Rasterkraftmikroskopes (AFM) mit einer leitfähigen Abtastspitze. Wenn einzelne hochenergetische (der Ordnung GeV) and hochgeladene (20+ bis 50+) Schwerionen (z. B. Au, Pb, Bi) auf eine Festkörperoberfläche auftreffen, induzieren sie lange (mehrere 10 μm) und sehr dünne (primäre Durchmesser weniger nm) zylindrische, sehr homogene aber drastische Materialmodifikationen, welche latente Ionenspuren genannt werden. Hier, im Falle eines dünnen Target-Films und obwohl noch nicht-relativistischer kinetischer Energien, sind die Streuquerschnitte und (dE/dx)/E klein und im wesentlichen konstant entlang der (Teilchen-)Spur [11, 12]. Hierbei ist dE/dx der Energieverlust, typischerweise von Ordnung keV/nm bis keV/Å, E typischerweise 1,4–11,4 MeV/n (deutlich unterhalb der Schwelle für nukleare Kollisionen). Typische primäre Spurdurchmesser (obere Grenzen) sind ungefähr 5–10 nm oder kleiner wie z. B. bestimmt durch Kleinwinkel-Röntgenstreuung [13] oder AFM [19, 20, 24] und können chemisch oft extrem anisotropisch geätzt werden [11, 12], z. B. um nm-Skala breite viele μm lange Poren [14] zu formen, z. B. für Ultrafiltration (Nucleoporefilter), um elektrolytische Ströme durch nm-Skala-Poren zu studieren [14] oder um kleine metallische Drähte zu generieren indem man die Poren elektrochemisch füllt [15]. Mit einer sogenannten „Schwerionen-Microprobe” [16] können solche Teilchenspuren eine nach der anderen generiert werden an auf der Mikrometer-Skala vordefinierten lateralen Positionen. Es gibt zwei theoretische Grenzfälle welche die Spurentstehung durch schnelle, Festkörper durchfliegende Schwerionen beschreibt: 1) „Thermal Spike Modell” [17] – ein statistisches Modell welches hauptsächlich die Grenzsituation in einem Metall beschreibt. 2) Coulomb Explosion [12] – ein mechanistisches Modell als Grenzfall für die Beschreibung der Situation in Isolatoren. Im Fall des hier untersuchten 100 nm dicken Diamant-artigen Kohlenstoff(DLC-)Filmes (siehe unten), der vom Ion in ca 10–14 sec. durchflogen wird, müßte eigentlich der Isolator-Fall herangezogen werden, auch obwohl diese isolierenden DLC-filme transparent [18] im Infrarot-Bereich sind. Realisierung von Nano- und Quantendrähten vertikal eingebettet in isolierenden Filmen oder Folien durch Formierung von super-feinen elektrisch leitfähigen Ionenspuren ohne die Notwendigkeit für weitere Behandlung (z. B. Ätzen, metallisch Füllen usw.) z. B. durch lokale Graphitisierung des Kohlenstoffs im Polymer oder SiC [19, 20, 21] – bisher erfolglos bzgl. Leitfähigkeit im Falle von PI, PET und SiC – oder eben Diamant war also eine inhärente Idee z. B. am HMI, Berlin, FRG gewesen und bei JAERI Tagasaki, Japan [22] und wurde auch schon versucht unter Benützung solcher DLC-Dünnschichten [23]. Die bisher vom HMI existierenden Daten [23] konnten jedoch noch keine wohl-definierten Ströme zeigen wie sie nun hier gemessen wurden (siehe auch [9, 10]), weil Spannungsdurchbrüche ausgehend von extremen elektrischen Feldern an den scharfen leitfähigen AFM-Spitzenenden auftreten könnten in solchen Dünnschichten, obwohl keinerlei Spannungsdurchbrüche in 4 μm dicken PI und PET [21] beobachtet wurden.
  • Materialien und Methoden
  • Extrem flache (Rauhigkeit gut unter 0,1 nm) DLC-Filme wurden aufgewachsen bis zu einer Dicke von etwa 100 nm auf einem hochdotierten Si-wafer und wurden freundlicherweise zur Verfügung gestellt von T. Wittke und B. Schultrich vom IWS in Dresden, FRG [25] und von der Hofsäß-Gruppe, Univ. Göttingen, FRG [26]. Leitfähige AFM Abtastspitzen (Bor-dotierter Diamantfilm auf einer Silizium-Einkristall-Abtastfeder mit integrierter Spitze) kamen von der Fa. Nanosensors, Wetzlar, FRG [27]. Elastizitäts-Effekte/Artefakte sollten hier vernachlässigbar sein auf diesem harten DLC-Film im Gegensatz dazu, wenn man dieselben Mess-Anstrengungen auf eher weichen Polymerfilmen macht [19, 20] – allerdings wurden sogar hier solche Effekte beobachtet (siehe unten). Schnelle Schwerionen-(Pb++ bei 4,1 MeV/nucleon)-Bestrahlung wurde auf diesen 2 Substraten am GANIL, CIRIL in Caen, F von M. Toulemonde durchgeführt, wobei eine akkumulierte Dosis von 10–9/cm2 angewandt wurde, was bedeutet dass es etwa eine Ionenspur pro 100 × 100 nm2 auf der Probe gibt. Die Ionen waren hochgeladen, etwa 20 +– 50+ (siehe auch [19, 20]), wobei der exakte Ladungszustand sowieso equilibriert nachdem die Pb++-Ionen den 3-Foliendetektor passiert haben – in welchem sich die Ionenladung etwa verdoppelt [19] vom ursprünglichen Wert von etwa 20+ – und nachdem sie die ersten paar 1-10 nm in der Probe passiert haben (typischerweise dE/dx = keV/nm bis keV/Å) zu einem hier unbekannten Wert.
  • Resultate und Diskussion
  • 1 zeigt das AFM-Topographie-(1a) und das Strom-Bild (1b) der bestrahlten (DLC)-Dünnschichtpräparation auf einem leitfähigen Silizium-Wafer. Die einezelnen latenten Ionenspuren sind deutlich sichtbar als Erhöhungen von etwa 1 nm Höhe und von etwa 10 nm in scheinbarem Durchmesser. Die 1:1 Entsprechung der Spur-Lokationen in beiden simultan aufgenommenen Mikroskopie-Bildern wird betont. Die durchschnittliche Leitfähigkeit (respektive Widerstand) ist von der Ordnung 1 GΩ bei hier angelegten wenigen 100 mV Spannung beider Polaritäten – zu Illustrationszwecken umgekehrt etwa in der Mitte von 1b. Die mittlere Graustufe entspricht der Leitfähigkeit Null (Auflösung etwa 10 pA). Das Topographie-Bild in Hexan und Heptan Öl ([21], Daten werden nicht gezeigt) ist von höherer Qualität (AFM funktioniert stabiler und mit kleineren Auflagekräften in einer Flüssigkeit) und die Spur-Termini an der Oberfläche erscheinen sogar schärfer. Bei einem nominalen Spitzenradius von 100–200 nm der benützten Abtastfederspitzen sollten die Spur-Termini sogar viel breiter erscheinen, aber weil die Probenoberfläche extrem (praktisch atomar) flach ist in den AFM-Bildern und die dotierte CVD/PVD-Diamant Beschichtung auf der Spitze gewöhnlich aus kleinen kristallinen Körnern/Mikrokristalliten [27] besteht, kann (und muss wohl) eine sehr scharfe lokale „Mini-Spitze” für die Abbildung verantwortlich sein. Die spezifische Struktur und chemische Komposition dieser latenten Ionenspuren in DLC-Filmen bleibt zu klären in künftiger Forschung, wie es z. B. von Statten geht im Detail für die Fälle von Ionenkristallen [24, 20] und Polymeren [19, 20, 28]. Es könnte gut der Fall sein, dass Kohlenstoff-Nanoröhren oder spezielle Polyacetylen sich geformt haben aufgrund der extrem hohen Energiedichte, welche anisotropisch deponiert wird bei dem (den DLC-Film) durchfliegenden schnellen Ion. Hier, in Kontrast zu [23], Strom konnte gemessen werden sogar bis hinunter zu und unter 10 mV angelegter Spannung und die (topographischen) Erhebungen wurden bereits überhaupt beobachtet in Umgebungsluft, bevor überhaupt irgendeine Spannung an die Spitze angelegt wurde, was weitgehend jegliche Art von zufälliger Spitzen-(E-)Feld-induzierter Materialdeposition [21] oder triviale Spannungsdurchbrüche durch den Dünnfilm ausschließt. Lichtbögen/Durchschläge durch den Dünnfilm – wie beobachtet in manchen bestrahlten Polymeren [29] oder lokale Ströme entlang latenten Ionenspuren in Polymeren konnten überhaupt nicht reproduziert werden (Rauschgrund etwa 10 pA) irgendwo auf 4–6 μm dicken PI und PET Folien [21] bis hinauf zu 300 V an die Abtastspitze angelegter Spannung. Die Folien waren Au oder Au/Cr-beschichtet auf der Rückseite bevor und/oder nach der Bestrahlung (dieselbe wie oben) – hier an Luft, im Gegensatz zu in Wasser oder Alkohol [19, 20], waren die Spuren nicht direkt sichtbar im AFM. Andere DLC-Substrate derselben Art und ähnlicher Fabrikation (Hofsäß-group, Univ. Göttingen) zeigten dieselbe Art von Erhebungen, einen Faktor 4 höher allerdings (ca. 4 nm, Daten werden nicht gezeigt). Hier ging der Widerstand herunter bis zur Ordnung 10 MΩ und Lichtempfindlichkeit (die 670 nm AFM-Detektionslaserdiode) über die ganze I-V-Kurve hinweg wurde gefunden (2). Sogar um Spannung Null herum ungefähr einige 0.1 nA wurden detektiert bei Beleuchtung. Dieser Photoeffekt – obwohl nur messbar lokalisiert oben auf so einem Spurterminus (Strom Null sonst überall auf der Probe) – könnte (trotzdem) vielleicht nicht lokalisiert sein in den einzelnen leitfähigen Spuren, könnte vielmehr herrühren von nicht-linearen optischen Wellenlängen-Herunter-Konvertierungseffekten im Silizium – Wafer auf dessen Rückseite, welcher dort (metallisch) kontaktiert ist, bei recht hohen Lichtintensitäten [30] – Si ist transparent für IR-Licht [27, 30]. Jedoch, es gab überhaupt keinen solchen Photoeffekt in den bestrahlten „Dresden” Silizium Proben in den 1, 3-4, und natürlich überhaupt keinen Strom (Rauschgrund etwa 10 pA) irgendwo abseits der Ionenspuren in beiden Proben. Aufgrund der starken und höchstwahrscheinlich schwankenden (laterale Drift der Spitze) lokalen Felder nahe der scharfen Abtastspitze und scharfen Ionenspurhügeln wie auch aufgrund lokaler Material- und Geometrie-abhängigen Differenzen im Fermi-Level, wird der effektive elektrische Feldparameter am Spitze-Probe-Kontakt, welcher in die wahre lokale (nm-Skala) Kontakt-Potential Differenz in einer 1-V-Kurve resultiert, wahrscheinlich nicht exakt dieselbe sein, wie die extern angelegte Spannung (die Abtastspitze ist hier immer in Kontakt im Gegensatz zu STM). – Es wird einfach die wahre Spannungsachse der I-V-Kurve etwas hin und her verschoben während die Abtastspitze langsam über den Ionenspur-Oberflächenterminus hinweg driftet. Dies könnte ein hypothetischer Grund sein für die oft „verrauschte” Erscheinung der I-V-Kurven gezeigt in 3–4:
    3 zeigen nun I-V-Kurven gemessen auf einzelnen Ionenspuren (auf der „Dresden”-Probe), ganz klar „Stufen” aufweisend, d. h. diskrete Levels bei Raumtemparatur in Umgebungsatmosphäre – siehe auch [9, 10]. Die typische Treppencharakteristik ist sehr ausgeprägt nur für die ersten 2 Stufen und erscheint dann verrauscht hauptsächlich weil hier nur wenige aufeinander folgende instantane I-V-Zyklen aufgenommen werden können bei zufriedenstellenderweise exakt derselben Probenlokation innerhalb des nm-Skala Spurdurchmessers – die laterale Drift ist von der Ordnung nm/min. während die I-V-Kurven bei einer Zyklusrate von etwa 50 Hz aufgenommen werden. Die erste Stufe (bei etwa Ordnung 100 mV) erscheint flach, die höheren Stufen zeigen ausgeprägten negativen differentiellen Widerstand, wahrscheinlich genau wie beim Esaki-Tunneln, d. h. „heiße” Elektronen kommen an der Zielelektrode oberhalb des Fermilevels an und relaxieren dann via Elektron-Phonon-Streuung. Überschreiten der Spitzenspannung von 1 V resultierte in starke Degradationseffekte. I-V-Kurven wurden auf leitfähigen Diamantfilmen aufgenommen, dieselben Abtastspitzen benutzend – der Abtastfeder-Chip selbst mit dessen leitfähigem Diamant-Coating als Probe [21] und die (gemessenen) Ströme waren ungefähr 3 Größenordnungen größer (und „sprangen herum” mit mehr als einer Größenordnung) bei denselben angelegten Spannungen und „Stufen” – obwohl sie auch auftraten – wurden nur in sehr erratischer und inkonsistenter Form beobachtet, manchmal waren diese Stufen sogar groß, was für sehr kleine Körner an der Abtastspitze spricht (3A). In 3 auf den Ionenspuren im DLC-Film – obwohl die charakteristische Form der Treppenkennlinie signifikant hin und her schaltete über die Zeit (aufgrund langsamer Drift der Abstandspitze) – war die insgesamte Steigung (Resistance) gut reproduzierbar so lange wie die Spitze auf dem Spurterminus sich befand und ebenso reproduzierten die Stufenweiten und Stufenpositionen auf ein und derselben Ionenspur-Terminierung. Die Bereiche negativen differentiellen Widerstandes in 3B können höchstwahrscheinlich nicht verursacht sein durch die kleinen Körner an der Abstastspitze wie in 3A, weil wenn ein GigaOhm ohmscher Drähtchen-Widerstand einfach in Serie geschaltet wäre mit der IV-Kurve des Tipmaterials selbst, diese Peaks in 3A würden im Rauschen versinken. Also muss es da 2 Coulomb-Blockade „Inseln” geben, die in Serie geschaltet sind. Der Inset in 2C zeigt um null Spannung herum (innerhalb des Coulomb-Stromunterdrückungs-Plateaus) extrem scharfe Strom-Peaks (siehe auch 31) der Ordnung einige wenige 0.1–0.5 nA, sogar bis hinauf zu 1 nA mit einem Abstand auf der horizontalen Spannungsachse von etwa 2 mV, welche gelegentlich beobachtet wurden. Es wird betont, dass I(V) dargestellt ist, nicht dI(V)/dV. Höchstwahrscheinlich aufgrund der oben hypothetisierten wahren lokalen Potentialdifferenzen und einer „floatenden Gate-Spannung” (weil die eingebetteten Drähtchen ja nicht von der Seite kontaktiert sind) bewegten sich diese Strom-Peaks vor und zurück auf der Spannungs-Achse, blieben jedoch in exakt konstanten gegenseitigen Spannungs-Abständen. Der Inset von 3C zeigt 2 überlagerte solche „Puls-Züge” (Vorwärts- und Rückwärts-Trace auf einem Oszilloskop), welche gegeneinander verschoben sind um etwa 1 mV. Hypothese für diese Beobachtung von auf der Spannungsachse völlig gleich separierte (Abstand ungefähr 2 mV, aber immer exakt gleich) quantisierte Leitfähigkeits-Peaks könnte sein wie folgt: Es könnte tasächlich der Fall sein dass dies – und nicht nur eine Treppenkurve – ist in der Tat die zu erwartende I-V-Charakteristik eines wahren Quantendrahtes wie einem SWNT oder einem speziellen Polyacetylen-Moleküles – d. h. Stromfluß wo Elektronenstreuung ist komplett ausgeschlossen (es wird angemerkt, dass in einem bloßen ballistischen Leiter elastisches und kohärente Streuung immer noch möglich ist). Auch das (bloße) Erden eines Quantendrahtes via eines IVC schmiert dessen Zustandsdichte aus obwohl die Daumenregel [1] (von Heisenberg's Prinzip) für die Sichtbarkeit von Quanteneffekten (R > h/e2 = 25,8 kΩ) überhaupt noch erfüllt ist in Form der hohen „gain”-(IVC)-Impedanz (108 Ω) und der Draht-Kapazität (repräsentiert durch die Stufenbreite in 3). Um die scharfen Leitfähigkeits-Peaks zu sehen, der minimale Kontaktwiderstand zum Quantendraht müßte wohl hochskaliert werden (von 25,8 kΩ) auf R > 6,45 MΩ. Bei angelegten Spannungen größer als die Energiebreite der (Quanten-)Level eines Drahtes, kann der Strom nicht fließen innerhalb eines Quantenlevels, sondern muß herunter-kaskadieren zwischen 2 oder mehr Levels – wie beim Esaki-Tunneln, hier jedoch passierend durch (evtl. mehrere) quantisierte Levels – inelastische Electron-Phonon Streuung in einem quasikontinuierlichem Energieband sollte nicht wirklich existieren in einem Quantendraht (ballistisch und wahrhaft 1-dimensional), also sollten diese Peaks tatsächlich sehr scharf sein, falls das Fermi-Level der Abtastspitze nicht verbreitert wäre um Eth~25 meV hier bei Zimmertemperatur. Auf Seiten der Spitze, wird jedoch ein kleines leitfähiges Nanopartikel oder ein dünnes (lokales) 2-DEG eine resonante Tunneldiode formen deren erstes Energie-Level oberhalb von 25 meV sein könnte (falls die effektive Größe << 5 nm), was möglich sein könnte gemäß der Coulomb-Blockade, welches auf dem bloßen Spitzenmaterial selbst beobachtet wurde (3A). Solch eine „Nanopartikel-RTD” würde agieren als ein Energiefilter der spektroskopische Auflösung von << 0.1 mV bei Zimmertemperatur erlauben würde, was hier zufällig der Fall war, aber sollte resultieren in einem weitreichend anwendbarem Konzept Aufgrund dieser hohen Strom-Peaks (bis zu 0.5 nA oder 106e- pro sec., sogar bis hoch zu einem mA) innerhalb des Stromunterdrückungsplateaus um 0 Volt herum kann weiter spekuliert werden dass die elektronische Ladung „unsichtbar” ist für die Elektronen untereinander während sie in dem Quantendraht-Tunnel sich befinden. Ein simples Energieband-Modell für diese experimentelle Beobachtung solcher scharfer Leitfähigkeits-Peaks in der I-V-Kurve entlang eines solchen Quantendrahtes wie in 3C-inset wird in 3D vorgeschlagen. 4 zeigt scharfe und ausgeprägte (wahrscheinlich nur Zeit-abhängig, nicht oszillierend entlang der Spannungs-Skala) Stromoszillationen um oder eingehüllt von der typischen „Treppen”-IV-Kurve (3) mit Oszillationen bis hinunter auf die horizontale Achse bei I = 0 sogar, was oft spontan auftrat, aber auch akustisch angeregt werden konnte. Eine ganz leichte Oszillation des AFM-Kraft-Feedbacks, die in einen variierenden Kontaktwiderstand resultieren würde, ist beteiligt, aber: 1) Falls es ein Kontaktwiderstands/Kapazitäts-Effekt wäre, dann könnte die Treppen-förmige (Einhüllende) Kurve nicht von so einem trivialen Effekt verursacht sein, weil die Stufenbreite und -höhe ungefähr konstant bleibt während dieser Oszillation um oder eingehüllt von der gleichbleibenden I-V-Treppenkennlinie, welche ungefähr die gleiche ist, wie in 3. 2) Die Stromoszillation ist vielleicht verursacht durch einen sehr subtilen physikalischen Grund – wie z. B. Quanten-Interferenz-Effekte wobei die Phasen akustisch moduliert [32] sind, höchstwahrscheinlich unter Beteiligung von B-Feldern ausgehend vom relativ starken Probenhaltermagnet, erinnernd an DC-Josephson-Effekt – siehe auch [1] – oder unter Beteiligung elektrischer Felder des Scanner-Piezos.
  • Ausblick und Anwendungen:
  • Die beobachtete Lichtempfindlichkeit könnte zu sehr kleinen CCD-Pixeln führen wie auch zu super-effizienten Solarzellen; die Abhängigkeit der ballistischen Leitfähigkeit eines Quantendrahtes von magnetischen oder elektrischen Feldern könnte zu Datenspeicherung ultrahoher Dichte führen (in Form von quantenmechanischen Feldeffekttransistoren), wenn kombiniert z. B. mit mikroskopisch beschreibbaren ferromagnetischen oder ferroelektrischen Substraten. Auch schnelle und praktisch Verlust-freie Leistungselektronikanwendungen wie magnetische oder Licht-geschaltete Schalter und Transistoren kann man sich vorstellen für den Fall, dass all die Billionen von parallelen Quantendrähten auf einem cm2-großen Chip werden elektrisch parallel geschaltet und sind vielleicht sogar noch in (Quanten-)Phase. Eine andere, konzeptuell sehr einfache, aber von der Fabrikation her sehr schwierige Anwendung wäre die Konstruktion eines logischen Netzwerkes von Quanteninterferenz-Ringen (siehe auch [10]) wie ähnlicherweise vorgecshlagen für SQUIDS z. B. in [33], vielleicht sogar mit einem inhärent eingeschlossenen ADC – das Puls-Zug-Verhalten gezeigt in 3C-inset – demonstriert einen instantanen akkuraten Digitalisierer einfach indem man die in 2mV-Schritten entlang der Spannungsachse gleichmäßig angeordneten scharfen Strom-Peaks zählt – indem man also das Verhalten in 3C-inset am „Eingangs”-Quantendraht ausnützt: Immer zwei benachbarte Quantendrähte formen einen Quanteninterferenzring falls elektrisch verbunden an beiden Terminal-Enden mittels eines ballistischen Leiters (z. B. ein Drähtchen hergestellt aus kristallinem Metal, einem Kohlenstoff-Nanoröhrchen auf der Oberfläche und z. b. einem 2DEG an der Si-DLC-Kontaktfläche) – und der Strom durch jeden einzelnen Arm eines solchen Ringes wird vermessen von einem solchen benachbarten Quantendraht-Interferenzring, und so weiter. Ein regulärer Computer, welcher (via einer Tunnelbarriere) mit der Input- und Output-Seite dieses „Chips” verbunden wird kann einfach riesige Input-Output Look-up-tables von Bit-Sequenzen oder sogar Dezimalen – abhängig davon, wieviele Quanten-Levels aufgelöst werden können – generieren und speichern. Es (der „Chip”) könnte eventuell später noch etwas getrimmt werden indem man mehr solche Ring-Verbindungen später hinzufügt, konzeptuell erinnernd an einen FPGA und könnte idealerweise fähig sein, Information zu prozessieren instantan und ohne Hitzeverluste.
  • Danksagung:
  • Die Werkstatt der Sektion Physik, Univ. München, FRG wie auch Lee's Optical Instr., Boulder, Co, USA ist dankbar anerkannt für die Herstellung präziser Teile des AFM-Kopfes der benutzt wurde. Das meiste der Kontroll-Elektronik und der Apple McIntosh basierten Daten-Acquisition kam vom physikalischen Institut, Univ. Heidelberg, FRG (S. Grafström, R. Neumann, O. Probst, M. Woertge). Für die freundliche zur Verfügung Stellung der 2 DLC-Film Substrate ist T. Witke, B. Schultrich, IWS Dresden, FRG und H. Hofsäß Gruppe, Dept. Physik, Univ. Göttingen, FRG gedankt, die von A. Weidinger, HMI Berlin, FRG vermittelt wurden. M. Toulemonde ist besonders gedankt für die schnelle Durchführung der Bestrahlungen am GANIL, CIRIL, Caen, F. Für frühere geduldige Einführung in die Bestrahlungs-Einrichtungen an der GSI-Darmstadt ist A. Wolf und A. Müller gedankt, sowie E. Toimil und I. Schuchert für Hilfe im Labor, sowie D. Rück für Hilfe mit Patentangelegenheiten.
  • Figuren:
  • 1: Isloierender DLC-Film – (100 nm dick) auf einem hochdotierten Si-wafer (vom IWS Dresden [25]) bestrahlt von M. Toulemonde am GANIL, CIRIL, Caen, F mit einzelnen hochenergetischen (4,1 MeV/Nukelon) Schwerionen. Die Erhebungen in den AFM-Bildern 1a (Topographie) zeigen ganz klar die Einschlags-Orte der Ionen und das simultane 1:1 Strom-Bild (AFM/STM-hybrid-artig) demonstriert ganz klar die elektrische Leitfähigkeit durch diese Spuren; ungefähr in der Mitte des Bildes 1b wurde die Spannung (ungefähr 0,6 V) umgepolt zu Illustrationszwecken. Die umgebende Grau-Stufe entspricht Null-Strom im Strombild. 2: I-V-Kurve wobei die Abtastspitze auf einem dieser Spur-Termini auf der DLC-Film-Oberfläche ruht. Auf diesem Wafer-Substrat von der Univ. Göttingen [26] war der elektrische Widerstand der latenten Spur immer relativ niedrig (ca 10 MΩ). Die I-V-Kurve ist klarerweise Licht-empfindlich und zeigt im speziellen einen von Null verschiedenen Strom bei Null-Spannung unter Beleuchtung (Inset). Quantisierte Strom-Stufen wurden nicht deutlich beobachtet auf diesen Proben. 3: I-V-Kurven aufgenommen mit einer Zyklenrate von mehreren 10 Hz, etwa 50 Hz (nicht gemittelt) durch diese Ionenspuren hindurch (Substratherkunft wie in 1, also [25]) bei Zimmertemperatur. (Gültig für alle 2–4: ein kompletter I-V-Zyklus, 2 Oszilloskop-Linien, werden gezeigt aufgrund der Belichtungszeit der Kamera): 3A) „Normalisierende” I-V-Kurve mit demselben Material wie von der Abstastspitze als Probe – der Strom ist dass 3 Größenordnungen höher als auf Ionenspuren und sehr instabil in der Stromstärke. B) typische I-V-Kurve auf einer Ionenspur. C) wie B), jedoch mit Inset welcher scharfe Strom-Peaks in 2 mV Abstand im Coulomb-Stromunterdrückungs-Plateau zeigt, wie manchmal beobachtet wurde sehr nahe bei Null Volt angelegter Spannung – könnte die Zustandsdichte (DOS) der leitenden Kanäle durch einen wahren 1-dimensionalen Quantendraht repräsentieren. 3D: Experimentelle Situation um die scharfen und gleichmäßig auf der Spannungsachse verteilten Strom-Peaks in 3C-inset zu messen und das hierfür vorgeschlagene Energiebänder-Modell für diese Situation, dieses experimentelle Setup: Die Energie-Zustände des kleinen Körnchens am Ende der Abtastspitze (z. B. eine kleine Ausbuchtung am Ende der Abtastspitze, hier schematisch gezeichnet als ein isoliertes Korn/Nanopartikel) scannen (auf der Energieachse) die Energie-Levels des wahren 1-dimensionalen Quantendrahtes ab, welche hier immer ein floatendes Gate haben. 4: Oft spontan angeregt, wurde eine I-V-Kurve mit drastischen Oszillationen beobachtet, die auch akustisch angeregt werden konnte (sogar mittels leisem „Pfeifen”), was aber nie das mittlere Treppencharakteristik-Erscheinungsbild änderte. Ursache ist höchstweahrscheinlich die sehr empfindliche Modulation des quantenmechanischen Stromes durch den derart akustisch angeregten Probenhaltermagnet, resultierend in oszillierende B-Felder und/oder oszillierende E-Felder vom Scanner-Piezo.
  • Anhang-Ende
  • Referenzen:
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    • [22] J. Appenzeller et al. PRL92(22), 226802 (2004).
  • Anhangs-Referenzen:
    • A1) e. g. "Mesoscopic Physics and Electronics" eds. T. Ando, Y. Arakawa, K. Furuya, S. Komiyama, H. Nakashima, Nanoscience and Technology Series, Springer 1998.
    • A2) M.H. Devoret, D. Esteve, C. Urbina, Nature 360, 547 (1992).
    • A3) O.M. Auslaender, A. Yacoby, et al., Science 295, 825 (2002).
    • A4) Reed M.A., C. Zhou, C.J. Mueller, T.P. Burgin, J.M. Tour, Science 278, 252–254 (1997); C. Kergueris, J.-P. Bourgoin, et al., PRB 59, 12505 (1991); H. Nejo, Nature 344, 641 (1990) and Nature 353, 640 (1991); H. Nejo, J. Vac. Sci. Technol. A8(1), 275 (1990);
    • A5) P.G. Collins, A. Zettl, H. Bando, A. Thess, R.E. Smalley, Science 278, 100 (1997);
    • A6) C. Joachim, J.K. Gimzewski, Chem. Phys. Lett. 265, 353–357 (1997).
    • A7) B.H. Hong, S.C. Bae, C.-W. Lee, S. Jeong, K.S. Kim, Science 294, 348 (2001).
    • A8) X.D. Cui, A. Primak, et al., Science 294, 571 (2001).
    • A9) Partly in: "Record of the "Int. Sympos. on the Electron and Electromagn. Field in Nanometer-Scale Structures", in Springer, ISBN 3-540-67244-3, ed. H. Nejo (2000);
    • A10) F.M. Ohnesorge , M. Toulemonde, T. Wittke et al, EPA 99121606.0, 27./29.10.99
    • A11) R. Spohr, New Astronomy Rev. 42, 189 (1998), and Springer 1997;
    • A12) R.L. Fleischer, P.B. Price, R.M. Walker, Nuclear Tracks in Solids, University of California Press, CA, USA 1975.
    • A13) K. Schwartz, C. Trautmann, T. Steckenreiter, O. Geiss, M. Kraemer, PRB 58, 11232–11240 (1998).
    • A14) A. Wolf, S. Ziwy, Y. Korchev, N. Reber, R. Spohr, Cell. Mol. Biol. Lett. 4(4), 553–565 (1999).
    • A15) M. Toimil-Molares, V. Bushmann, D. Dobrev, R. Neumann, R. Scholz, I. Schuchert, J. Vetter, Adv. Materials 13 (1), 62–65 (2001); D. Dobrev, J. Vetter, N. Angert, R. Neumann, Electrochim. Acta 45(9), 3117–3125 (2000).
    • A16) B. Fischer, J. Barak, E. Adler, S. Metzger, NIM B 146, 587–595 (1998).
    • A17) M. Toulemonde, Ch. Dufour, A. Meftah, E. Paumier, NIM B 166–167, 903–912 (2000); F. Pawlak, Ch. Dufour, et al. NIM B 151, 140–145 (1999).
    • A18) H. Hofsäß, private communication
    • A19) F.M. Ohnesorge, Europhysics Lett. 50(6), 742–748 (2000).
    • A20) F.M. Ohnesorge, A. Müller, R. Neumann, Nucl. NIM B 166–167, 938–943 (2000).
    • A21) F.M. Ohnesorge, unpublished results, to be published.
    • A22) D. Fink, R. Klett, Brazilian J. of Physics 25, 54–75 (1995).
    • A23) M. Waiblinger, C. Sommerhalter, et al, Appl. Phys. A, 69, 239 (1999).
    • A24) R. Neumann, NIM B 151, 42 (1999); A. Müller, C. Müller, R. Neumann, F. Ohnesorge, NIM B 166–167, 581–585 (2000).
    • A25) J. Berthold, C.F. Meyer, T. Schuelke, B. Schultrich, T.Witke, Surface and coatings technology 116–119, 609–613 (1999).
    • A26) H. Hofsaess, H. Binder, T. Klumpp, E. Recknagel, Diam. Relat. Materials 3, 137 (1994); H. Hofsaess, C. Ronning in Proc. 2nd int. conf. on beam proc. of adv. mat." eds. J. Singh, S.M. Copley, J. Mazumder, p. 29–56, ASM Int. Materials Park, 1996.
    • A27) Boron doped PVD/CVD-diamond coated Si-tips, Nanosensors, Wetzlar, FRG.
    • A28) J. Vetter, G.H. Michler, J. Naumann, Rad. Eff. and Def. in solids 143, 273–286 (1998).
    • A29) B. Fischer, private communication.
    • A30) K. v. Klitzing, private communication.
    • A31) A. Gossard et al., PRL 80 (20), 4522 (1998)
    • A32) H. Ness, S.A. Shevlin, A.J. Fisher, PRB 63, 125422 (2001).
    • A33) Buckel, Supraleitung, Wiley Verlag.
  • Zeichnungen:
  • 1a: Doppelt gebundes gestrecktes ideal leitfähiges Polykohlenstoffmolekül der Form ...=C=C=C=C=C=C=C=... welches (Hypothese!) beim Durchflug einzelner schneller Schwerionen durch eine isolierende Schicht von DLC aufgrund der hohen Dichte der Energiedeposition jeweils entsteht. Es wird betont, dass es sich hierbei nicht um ein übliches Polyethin/Polyacetylen-Molekül handelt, da bei letzteren nur jede zweite C-C-Bindung eine (elektrisch leitende) Doppelbindung ist und zusätzlich viele H-Atome angebunden sind, die im reinen (el. isolierenden) DLC ja praktisch nicht vorhanden sind.
  • 1: Messanordnung zum Nachweis der quantisierten Leitfähigkeit in den Nanodrähten (Teilchenspuren, verursacht durch einzelne schnelle schwere Ionen). Die Spitze eines kombinierten AFM/STM wird zeilenweise über die Oberfläche gescannt, und lokal der Strom durch die Quantendrhte an deren Terminal-Enden aufgezeichnet. Zur Messung der Isd-Usd-Kennlinien wird der Scan angehalten und die Drift bei Raumtemperatur erlaubt eine stabile Messung der Kennlinien über etwa 10 Sekunden, bevor die elektrisch leitende Abtastspitze neu justiert werden muss. Beansprucht wird hier der Schutzwiderstand Rprotecion zwischen Funktionsgenerator (Usd) und STM/AFM Abtastspitze.
  • 2: a) Isd-Usd-Kennlinien („Stufen”) einzelner Quantendrähte bei Raumtemperatur: Das Ferminiveau der (halb-)leitenden Spitze „scannt” (Durchfahren von Usd!) die Quantenzustände des Quantendrahtes ab, die „kleinen Stufen” in EP 10965 69 A1 in der Isd-Usd-Kennlinie, die großen Stufen sind vermutlich die „scannenden” Zustände eines winzigen Grains an der Abtast-Spitze oder der Hügel-artigen Ionenspur auf der DLC-Oberfläche als Quantenpunkt (O(0.5 nm)), die notwendig sind um die feinen nadelartigen Peaks in Isd in 2c zu sehen, wobei Usd gleichzeitig die Quantenpunktniveaus verschiebt, also die Gatespannung Usg für den Quantenpunkt darstellt.
    b) Feld-modulierte Isd-Usd-Kennlinien einzelner Quantendrähte bei Raumtemperatur – die Einhüllende ist wieder die Treppenkennlinie und es ist angemerkt, dass die Strommodulation bis auf Null nA (Rauschlimit O(pA)) absinkt.
    c) Isd-Usd-Kennlinien-Ausschnitt im Stromunterdrückungsplateau nahe Uds = OV bei Raumtemperatur. Exakt vertikale Quanten-Conductance-Peaks, hier manifestiert als nadelscharfe Strom-Spitzen im Drain-Strom Isd; sie treten auf mit einer Höhe von bis zu ca 1 nA bei Usd << 50 mV. (Es ist angemerkt, dass die Tunnel-Kontaktwiderstände zwischen Substrat und Quantendraht sowie zwischen STM/AFM-Abtastspitze und Quantendraht noch unbekannt sind.) Diese Strom-Peaks manifestieren elektronisch messbar die Physik der wellenmechanischen Transmission weniger Elektronen durch die 1dimensionalen Quantenzustände des Quantendrahtes: Vermutlich der oberste gefüllte Quantenzustand eines Quantenpunktes (leitfähiges winziges Grain an der Abtastspitze-Spitze oder Ionenspur an der DLC-Oberfläche) „scannt” (Durchfahren von Usd) die Quantenzustände des Quantendrahtes (im 2 mV Abstand) ab.
    d) Isd-Usd-Kennlinie ohne Quantendrähte, nur die leitfähige AFM-Abtastspitze in Kontakt mit leitfähiger (B-dotierter) Diamantschicht, auch bei Raumtemperatur.
  • 3: Magnetfeld-/E-Feld gesteuerter QuantenFET
  • 3a: Ausführungsbeispiel 1: Leistungs-Transistor – gezeichnet sind nur 3 Quantendrähte, es sind aber mindestens 1010/cm2 bis theoretisch maximal 1012/cm2.
  • 3b: Ausführungsbeispiel 2: Leistungs-Transistor mit „Memory” Ausführungsbeispiel 3a und 3b: analog wie in 3a und 3b: nicht-flüchtiges und (wieder-)beschreibbares Speicherzellenelement, bestehend aus nur einem einzelnen bis sehr wenigen parallel-geschalteten Quantendrähten
  • 4: Ausführungsbeispiel 4: Optisch modulierter Leistungstransistor, Photodetektor, Solarzelle
  • 4a: Schema
  • 4b: Isd-Usd-Kennlinien „hell” und „dunkel” bei Raumtemperatur
  • 5: Ausführungsbeispiel 5: El.-magn. Feld- steuerbarer Leistungstransistor, Photodetektor, Solarzelle mit drastisch optimierter Empfindlichkeit durch Einsatz idealer (R = 0) Leiterschichten als Source-Drain-Elektroden, z. B. kristalline Metalle oder Supraleiter bei tiefen Temperaturen, insbesondere aber 2DEGs bei Raumtemperatur am Heteroübergang zwischen DLC-Schicht und Source-Drain Elektroden.
    Modellsystem für einen 1-dimensionalen (Pseudo-)Supraleiter bei Raumtemperatur
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Quantendrähte erzeugt durch den Durchflug einzelner hochenergetischer Ionen ( EP 1096569A1 )
    2
    Isolierende, die Quantendrähte einbettende Matrixschicht, in welcher sie erzeugt werden, z. B. DLC (resistivity 1012 Ohm/cm), SiC, Polymer ( EP1096569A1 ), etwa atomar flach.
    3
    Gut leitendes nahezu atomar flaches Substrat, z. B. hochdotierter Si wafer
    4a
    AFM-Abtastfeder mit elektrisch gut leitfähiger Abtastspitze (B-dotierter Diamant)
    4b
    Magnetische Spitze, skalierbarer Größe mit der gewünschten Bauteilgröße/Leistungsfähigkeit, die auch stark elektrostatisch aufgeladen werden kann.
    5
    Source-Elektrodenschicht, elektrisch gut leitfähiges Material, z. B. Metallfilm, am besten kristallin (z. B. Au, Pt, Pa, Cu) oder hochdotiertes Halbleitermaterial (z. B. Si, GaAs, hochdotierter – z. B. mit Bor – Diamant-artiger Kohlenstoff)
    5a
    Source-Elektrodenschicht, transparent für die Anwendung der optischen Transistoransteuerung/der Solarzelle, z. B. extrem dünne Metallfilme, am besten kristallin, z. B. ITO-Glass (amorph), oder hochdotierter leitfähiger DLC, transparent für IR.
    6
    Polarisierte/magnetisierte ferroelektrische/ferromagnetische Dipole („Elementarmagnete”), aufgebracht als dünner Film auf die Source-Elektrode.
    7
    (Vorzugsweise) Vorspannungs-lose 2DEGs, vorgeschlagen für den Heteroübergang zwischen DLC-Film und der Source-Elektrode (7a) sowie zwischen DLC-Schicht und der Drain Elektrode (7b), wofür ein geeignetes hochdotiertes Halbleitermaterial für Source- und Drain-Elektrode noch ermittelt werden muss.
    8
    Schutzwiderstand 100 kOhm–1 MOhm bzw. 1 MOhm–10 GOhm.
    9
    Treppen-I-V-Kennlinie, Stromstärke-Plateaus, gegebenfalls mit Esaki-Tunneln
    10
    Modulation der Isd-Usd-Treppenlkennline durch ein moduliertes Gatefeld
    11
    Quantisierte Leitfähigkeitsspitzen, „Quantum conductance peaks”
    12
    Lichtempfindliche Isd-Usd-Kennlinie
  • Abkürzungen:
    • AFM
      – atomic force microscope
      CCD
      – charge coupled device
      CNT
      – carbon nanotube
      DLC
      – diamond like carbon
      DRAM
      – dynamic random access memory
      FET
      – Feldeffekttransistor
      GMR
      – giant magneto resistance
      Isd
      – (Source-)Drain Strom
      MWCNT
      – multi-walled carbon nanotube
      QD
      – Quantendraht
      QFET
      – Quantendrahtfeldeffekttransistor
      QUID
      – quantum interfence device
      SET
      – single electron transistor
      SiC
      – Silizium Karbid
      SL
      – Supraleiter
      SQUID
      – superconducting quantum interference device
      SWCNT
      – single-walled carbon nanotube
      Ugate
      Gate-Spannung gegen willkürliche Masse
      Usd
      – Source-Drain Spannung
      Usource-gate
      Spannung zwischen Source und Gate
      2DEG
      – 2dimensionales Elektronen Gas
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 1096569 A1 [0001, 0007, 0007, 0007, 0007, 0009, 0009, 0013, 0013, 0013, 0013, 0015, 0028, 0035, 0035]
    • EP 0408966 [0007, 0024]
    • US 6566704 B2 [0008, 0008, 0008, 0011, 0024]
    • EP 1096569 A [0008]
    • DE 102004003374 A1 [0011, 0011, 0024]
    • US 5835477 [0015, 0024]
    • EP 1096965 A1 [0015]
    • DE 10036897 C1 [0015, 0024]
    • EP 1096965 A [0024]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
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    • B.H. Hong et al., Science 294, 348 (2001) [0024]
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    • B. Kramer, Physikalische Blätter 50(6), 543 (1994) [0024]
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    • Buckel, Supraleitung, Wiley Verlag [0025]

Claims (10)

  1. Leistungstransistor, dadurch gekennzeichnet, dass es sich handelt um: Ein Quantendrahtarrayfeldeffekt-Leistungstransistor: Ein 2-dimensionales Array sehr vieler dicht gepackter, vertikal oder bis zu 30 Grad – auch in Gruppen zueinander – geneigter, in einer isolierenden Schicht eingebetteter, geometrisch paralleler und – auch jeweils in Gruppen – elektrisch parallel geschalteter echter Quantendrähte (1), welche Source- und Drain- Kontakt des Quantendrahtarray-Feldeffekttransistor verbinden und bei Raumtemperatur funktionieren, kollektiv oder einzeln gesteuert oder geschaltet durch ein zeitlich veränderliches elektromagnetisches Feld, also ein quasi-statisches bzw. ein dynamisches. dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungstransistor besteht aus: vielen parallelgeschalteten, lichtstrahl-geraden und extrem dünnen echten Quantendrähten (1), die echte 1-dimensionale ideale Leitfähigkeit ausweisen, wobei diese echten Quantendrähte erzeugt werden durch Lichtstrahl-geraden Durchflug einzelner hochenergetischer schwerer Ionen durch eine elektrisch isolierende Schicht von diamond-like-carbon oder SiC oder Polymer, wobei diese echten Quantendrähte single walled carbon nanotubes oder Polyethine-artige gestreckte Moleküle der Form ...=C=C=C=C=C=C=C=... sind, dadurch gekennzeichnet, dass diese einzelnen echten Quantendrähte, aus denen der Leistungstransistor besteht: auch bei Raumtemperatur eine Treppen-IV-Kennlinie (9) Isd versus Usd „entlang” des Quantendrahtes aufweisen; wobei dadurch der Strom in Stufen gesteuert werden kann, und deren I-V-Kennlinie gleichzeitig darüberhinaus das funktionale Merkmal der Quanten-Conductance-Peaks (11) aufweisen, welche charakterisiert sind und hier manifestiert sind in Form von extrem scharfen Peaks im Strom Isd in dieser Isd-Usd Kennlinie entlang des „echten” Quantendrahtes im Stromunterdrückungsplateau in der Nähe von 0 V +/- 50 mV, wo der Strom Isd versus Usd wie üblich durch Coulomb-Blockade- aber hier zusätzlich durch Conductance-Quantisierungs-Effekte unterdrückt ist, entlang des Quantendrahtes gemessen, also Isd versus Usd; dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Quantendrähte, aus denen der Leistungstransistor besteht: auch bei Raumtemperatur IV-Kennlinien besitzen, die gekennzeichnet sind dadurch, dass diese Source-Drain Kennlinien Isd versus Usd entlang eines solchen „echten” Quantendrahtes sehr empfindlich moduliert werden können durch angelegte äussere ansteuernde Gate-Felder – magnetisch, elektrisch/elektroakustisch gemäß Feld-modulierter Treppen-I-V-Kennlinie (10), und optisch gemäß lichtempfindlicher Kennlinie (12); dadurch gekennzeichnet, dass die Quantendrähte aus denen der Leistungstransistor besteht, alle praktisch identisch sind, sodass im Idealfall bei sehr identisch hergestellten echten Quantendrähten im 2-dimensionalen Array diese Source-Drain Kennlinien Charakteristika qualitativ auch für die Gesamtheit der elektrisch parallel geschalteten Quantendrähte vorliegen sollten, wobei Source und Drain Elektrode (3, 5) ebenfalls ideale elektrische Leiter sind, also 2-Dimensionale Elektonen Gase bei Raumtemperatur (7a, 7b) oder Supraleiter bei tiefen Temperaturen oder als Kompromiss dünne kristalline Metall- oder Halbleiterschichten bei Raumtemperatur oder moderat abgesenkten Temperaturen; dadurch gekennzeichnet, dass durch Maßschneidern räumlich und oder in der Stärke der Inhomogenität des Gate-Feldes die Transistorkennlinien des Leistungstransistors eingestellt werden können; wobei verschieden starke und verschieden gerichtete Gatefelder dann lokal auf die verschiedenen einzelnen Quantendrähte oder Gruppen davon wirken, wodurch jeder oder jede Gruppe eine andere I-V-Kennlinie erhält, der Leistungstransistor dann insgesamt eine maßgeschneiderte mittlere IV-Kennlinie Isd-Usd.
  2. Leistungstransistor nach Patentanspruch 1., dadurch gekennzeichnet, dass der Source-Drain Strom und dessen Kennlinie in den Quantendrähten und im Quantendrahtarray in diesem Betriebsverfahren durch ein von außen angelegtes Magnetfeld gesteuert wird, wobei mittels einer variablen Stromstärke in einer Induktivität die einen spitzen Weicheisenkern (4b) umgibt, räumlich dicht über dem Quantendrahtarray sowie durch deren Abstand zum Quantendrahtarray das Magnetfeld gesteuert wird oder wobei durch variable Stromstärke durch eine Meander-fömige Leiterbahn dicht auf oder unter dem 2dim Quantendrahtarray oder darin eingebettet das Magnetfeld gesteuert wird, wobei der Strom Isd in Stufen gesteuert werden kann; wobei in beiden Fällen ein äußeres inhomogenes aber räumlich und in der Stärke definiertes Magnetfeld über das Array hinweg erzeugt wird, welches zeitlich veränderlich einstellbare konstante Inhomogenität aufweist und somit auch ein Maßschneidern der Transistorkennlinie erlaubt.
  3. Leistungstransistor nach Patentanspruch 1 und 2., dadurch gekennzeichnet, dass: der Source-Drain Strom und dessen Kennlinie in den Quantendrähten und im Quantendraht-Array durch ein von außen angelegtes Magnetfeld gesteuert oder geschaltet wird, mittels Aufbringen und geeignet Magnetisieren durch Beschreiben mit einer magnetischen Spitze (4b) montiert an einem Rastersondenmikroskop oder mit obiger Meanderstruktur einer ferromagnetischen Schicht (6) auf dem 2-dimensionalen Quantendrahtarray, wobei die ferromagnetische Schicht (6) besteht aus Fe oder Co oder Ni oder einer Schicht aus ausrichtbaren ferromagnetischen Nanopartikeln aus Fe oder Co oder Ni, wobei nicht-flüchtiger Memory-Effekt des Transistor-Arbeitspunktes und der Source-Drain-Isd-Usd-Kennlinie erreicht wird; dadurch gekennzeichnet, dass die Kennlinie des Transistors durch mikrostrukturiertes Magnetisieren der ferromagnetischen Gate-Feld-erzeugenden Schicht, also dem Erzeugen einer definierten Inhomogenität des Gate-Feldes über das Quantendrahtarray hinweg, maßgeschneidert werden kann, analog zum allgemeinen Verfahren in Patentanspruch 1.
  4. Leistungstransistor nach Patentanspruch 1, 2, 3, dadurch gekennzeichnet ist, dass: der Source-Drain Strom und dessen Kennlinie gesteuert oder geschaltet in den Quantendrähten und im Quantendraht-Array wird durch ein von außen angelegtes E-Feld mittels einer elektrisch geladenen Rastersondenspitze, oder wobei mittels Aufbringen auf oder Einbetten in das 2-dimensionale Quantendrahtarray und geeignet Polarisieren einer ferroelektrischen oder auch antiferroelektrischen Schicht, oder durch Anlegen einer lateralen Spannung in dieser polarisierbaren Schicht, dann wie bei 3. mit nicht-flüchtigem Memoryeffekt des Transistor-Arbeitspunktes die Source-Drain-Isd-Usd-Kennlinie maßgeschneidert wird; wobei die Kennlinie des Transistors durch mikrostrukturiertes Polarisieren der ferroelektrischen Gate-Feld-erzeugenden Schicht, also dem Erzeugen einer definierten Inhomogenität des Gatefeldes über das Quantendrahtarray hinweg, maßgeschneidert wird, wobei die ferroelektrische Schicht besteht aus z. B. einer geeigneten Flüssigkristallschicht polarer Moleküle oder einer Schicht polarer Nanopartikel.
  5. Leistungstransistor, -schalter nach Patentanspruch 1., dadurch gekennzeichnet, dass: der Source-Drain Strom und dessen Kennlinie in den Quantendrähten und Quantendraht-Array moduliert oder gesteuert oder geschaltet wird durch Einstrahlung äußerer elektromagnetischer Strahlung also infrarotes Licht oder sichtbares Licht oder ultraviolettes Licht oder Röntgenstrahlung auf das 2-dimensionale Quantendrahtarray, wobei der Quantendrahtarray dann als Photodetektor fungiert gemäß lichtempfindlicher Kennlinie (12) eines einzelnen Quantendrahtes (1); wobei durch eine zeitlich veränderliche quasi-konstante Inhomogenität der zeitlich veränderlichen Intensitätsverteilung über die Arrayfläche hinweg die Kennlinie des hier optisch gesteuerten Transistors wieder maßgeschneidert werden kann.
  6. Leistungs-Quantendrahtarray-Solarzelle im Aufbau und grundsätzlicher Funktion und Aufbau analog zu dem in Patentanspruch 1. und Patentanspruch 5, zusätzlich durch das funktionelle Merkmal gekennzeichnet, dass: unter Lichteinwirkung bei 0 Volt Source-Drain Spannung ein von Null verschiedener Source-Drain-Strom (12) fließt, also Lichtenergie in elektrische Energie umgewandelt wird. Hierbei besteht die Source-Elektrode und oder die Drain-Elektrode aus durchsichtigem elektrisch möglichst ideal leitfähigem Material (5a), wobei dieses Material indium-tin-oxide-Glas oder sehr dünne elektrisch leitfähige Metall- oder Halbleiterschichten, die im Idealfall für höchste Effizienz auch ein 2-Dimensionales Elektronen Gas (7a, 7b) mit der Diamond-like-carbon-Schicht bilden.
  7. Lichtpixelsensorarray höchster Flächendichte: Dieses abgewandelte Betriebsverfahren von Patentanspruch 5,6 ist dadurch gekennzeichnet, dass die Quantendrähte im Array einzeln kontaktiert werden, die „Licht-Wirkung” auf den einzelnen Drain-Strom in einzelnen Quantendrähten des großen, extrem dichten Arrays bis etwa 1010–1012 Quantendrähte pro cm2 könnte ortsabhängig ausgelesen werden; wobei die Kontaktierung der Quantendrähte erfolgen soll wie in einem Schieberegister oder einem Charge Coupled Device-Chip oder einem Flash-RAM.
  8. a. Leistungstransistor nach Patentanspruch 1–7, in diesem Betriebsverfahren dadurch gekennzeichnet, dass: Source und Drain Elektroden aus einer ideal leitenden Schicht bestehen, wobei diese Schicht besteht aus kristallinen Metallen bei Raumtemperatur oder moderat tiefen Temperaturen oder aus Supraleitern bei tiefen Temperaturen oder 2-Dimensionalen Elektronen Gasen (7a, 7b) bei Raumtemperatur, wodurch durch Phasenverschiebungseffektte die Empfindlichkeit und Effizienz des Transistor-Ansteuerung-Gains und der Solarzelle drastisch erhöht wird. Dies stellt auch ein Modellsystem für einen 1-dimensionalen – also gerichtet in nur eine Richtung, nämlich parallel zu den Quantendrähten Pseudo-Supraleiter bei zumindest nahezu Raumtemperatur dar. b. exakt wie Patentanspruch 8a, nur Betriebsverfahren Solarzelle.
  9. Quanten-Feldeffekttransistor analog zu Patentanspruch 1, 3, 4 aber in diesem Betriebsverfahren gekennzeichnet dadurch, dass der Source-Drain Strom nur durch ein oder wenige jeweils elektrisch parallel-geschaltete echte Quantendrähte (1) bei Raumtemperatur oder moderat tiefen Temperaturen fließt, wobei der Quantendraht ein Digitalisierer ist, wobei der Quanten-Feldeffektransistor eine quantenmechanische Speicherzelle ist und in Stromstufen Isd geschaltet werden kann, wobei der Source-Drain Strom durch den echten Quantendraht oder die wenigen echten Quantendrähte die sekundär gespeicherte mehrstufige Stromstärke-Information von 1 bis zu etwa 8 bits trägt, wobei ein äußeres Magnetfeld oder elektrisches Feld oder elektroakustisches Feld oder elektromagnetisches Strahlungs-Feld den Quanten-Feldeffekttransistor ansteuert, also die Stromstärke Isd durch die echten Quantendrähte steuert oder moduliert (10) oder in mehreren Stufen schaltet, wobei in unmittelbarer Nähe der Source- oder Drain Termini der echten Quantendrähte eine ferromagnetische oder ferroelektrische Schicht (6) aufgebracht ist, welche primär die gespeicherte Information trägt, indem deren nicht-flüchtig gespeichertes lokales Feld den Strom Isd durch die echten Quantendrähte steuert oder in Stufen schaltet, wobei diese ferromagnetische oder ferroelektrische oder antiferromagnetische Schicht (6) lokal magnetisiert oder polarisiert wird durch eine magnetische oder geladene Abtastspitze (4b) eines Rastersondenmikroskops, wobei diese ferromagnetische Schicht besteht aus Fe oder Co oder Ni oder Nanopartikeln aus diesen Materialien, wobei diese ferroelektrische Schicht besteht aus polarisierbaren Nanopartikeln, wobei die Source-Drain Ströme durch die einzelnen echten Quantendrähte oder Quantendrahtgruppen separat ausgelesen werden können entweder durch Verdrahtung wie in einem Nand- oder NOR-Flash-RAM oder durch eine oder viele Rastersondenspitzen stationär oder montiert an einem rotierenden HDD-Schreib-Lese-Kopf.
  10. Die Messanordnung zur Vermessung und Prüfung der charakteristischen Kennlinien Isd-Usd einzelner „echter” Quantendrähte bei Raumtemperatur ist dadurch charakterisiert, dass sie besteht im aus einem kombinierten Rasterkraft- und Rastertunnelmikroskop, wobei die elektrisch leitfähige Abtastspitze verbunden mit einer Spannungsquelle Usd am Ende der Abtastfeder zunächst zeilenweise über den vertikalen Quantendrahtarray zur Auffindung der einzelnen Quantendraht-Termini gerastert wird. Dann wird die Rasterung über dem Terminus eines einzelnen vertikalen Quantendrahtes gestoppt und dessen Isd-Usd-Kennlinie über einen Schutzwiderstand (8) vermessen; wobei der Schutzwiderstand mindestens 25,8 kΩ beträgt; wobei die Abtastspitze mit einstellbarer Kontakt-Kraft in mechanischem Kontakt mit dem als Source-Kontakt definierten oberen Ende des Quantendrahtes ist; wobei die unteren Enden der Quantendrähte, also die Gesamtheit der Drain-Kontakte über einen weiteren Schutzwiderstand und einen I-V-Converter auf Masse geschlossen sind; wobei der Schutzwiderstand mindestens 6,45 MΩ beträgt.
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