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News: Kleine Röhrchen für großen Speicher

CD-Spieler, Lichtschranken, leuchtende Zeigestöcke - Laser begegnen uns heutzutage überall, wo es auf intensives, gebündeltes und monochromatisches Licht ankommt. Vor allem Halbleiterlaser konnten sich durchsetzen, da sie klein und günstig sind. Nun ist es Forschern gelungen, mit einem selbstorganisierten nanostrukturierten Material einen Laser herzustellen, der ihre Farbpalette auch auf den Bereich ultravioletten Lichts erweitert.
Die Erfindung von Lasern auf der Basis von Halbleitern in den sechziger Jahren und deren konsequente Weiterentwicklung verschaffte der bis dahin eher wissenschaftlich genutzten Lichtquelle den wirtschaftlichen Durchbruch. Heute gehören sie zu den am weitesten verbreiteten Lasern – nicht zuletzt deshalb, weil sie recht günstig und klein herstellbar sind. Deshalb befinden sich die Millimeter-großen Lichtquellen auch in allerlei Geräten, die uns aus dem Alltag bekannt sind. Der CD-Spieler braucht den Halbleiterlaser beispielsweise, um die winzigen Unebenheiten – die in Metall gepressten Bits – einer CD lesen zu können.

Dabei gilt, je kleiner die Wellenlänge des Laserlichts, um so höher die Auflösung der gesamten Optik. Es lassen sich so noch kleinere Bits erkennen und noch mehr Daten auf gleichem Raum unterbringen als bei größeren Wellenlängen. Aus diesem Grund forschten Wissenschaftler in aller Welt intensiv daran, einen blau emittierenden Halbleiterlaser herzustellen – was Ende der neunziger Jahre denn auch gelang. Aber da das Spektrum im kurzwelligen Bereich noch mehr als die Farbe blau zu bieten hat, hält die Suche nach neuen Lasermaterialien für noch kürzere Wellenlängen weiter an.

Nun gelang es Michael Huang und seinen Kollegen vom Department of Chemistry der University of California in Berkeley und der Materials Sciences Division des Lawrence Berkeley National Laboratory einen Laser herzustellen, der bei Raumtemperatur ultraviolettes Licht emittiert. Er besteht aus unzähligen Zinkoxidstäbchen, die wie die Borsten einer Bürste von einem Saphirsubstrat abstehen. Die Röhrchen wuchsen dabei in heißem Dampf aus Zinkoxid selbstorganisiert durch lagenweises so genanntes epitaktisches Wachstum auf dem Substrat – vermittelt durch einen katalytisch wirkenden dünnen Goldfilm. Der Durchmesser der Stäbchen variiert zwischen 20 und 150 Nanometern, wobei etwa 95 Prozent einen Durchmesser zwischen 70 und 100 Nanometern besitzen. Die Länge liegt jeweils zwischen zwei und zehn Mikrometern.

Zinkoxid wird recht häufig für Festkörperlaser eingesetzt, da es eine große so genannte Energielücke hat. Das heißt, dass sich zwei von einander getrennte Energieniveaus mit Elektronen besetzen lassen. Fällt ein angeregtes Elektron vom hohen Energieniveau auf das niedrigere zurück, so wird gleichzeitig die gewonnene Energie in Form eines Photons freigesetzt. Da der Sprung recht groß ist, trägt das Lichtteilchen eine entsprechend große Energie, was sich wiederum in einer kleinen Wellenlänge (385 Nanometer) ausdrückt. Der Wechsel von einem hohen in ein tiefes Niveau funktioniert nun bei den hier verwendeten Nanoröhrchen besonders gut, da die Elektronen quasi auf eindimensionalem Raum gefangen sind und so leichter einen passenden Platz – ein positives Loch – im tiefen Niveau finden.

Im Moment müssen die Elektronen allerdings noch optisch, also mit einem anderen Laser, angeregt werden. In Zukunft hoffen die Forscher, die Elektronen direkt wie in anderen Halbleiterlasern durch Stromtransport auf das höhere Niveau "pumpen" zu können. Dies ist notwendig, um aus dem Material ein elektronisches Bauelement zu machen, das sich in herkömmliche Schaltkreise integrieren lässt.

Sollte dies gelingen, so stände neuen elektrooptischen Anwendungen nichts im Wege. Beispielsweise könnte man die Lichtquelle und einen Detektor auf einem Chip vereinigen und so miniaturisierte Analysewerkzeuge zur Identifizierung von Chemikalien herstellen. Auch neue Abtastlaser für CD- und DVD-Spieler sind möglich, sodass sich bei diesen Medien noch mehr Daten speichern lassen. Peidong Yang, ein an der Arbeit beteiligter Forscher vom Lawrence Berkeley National Laboratory, fasst die Vorteile zusammen: "Der Prozess funktioniert, er ist äußerst günstig, und er ist die erste richtige Anwendung von Nanodrähten."

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