Quantengraben

Quạntengraben,

 

Abkürzung QW [für englisch quantum well], Quạntentopf, Quạntentrog, Quạntenfilm, sehr dünne Schicht eines Halbleiters mit geringer Breite der verbotenen Zone zwischen zwei Halbleiterschichten mit größerer Breite der verbotenen Zone, den Barrieren. Durch die Barrieren (das heißt Energiestufen in den Bändern) wird die Bewegung der Elektronen im Quantengraben senkrecht zu den Schichtgrenzen unterbunden, bleibt aber parallel zu den Schichtgrenzen ungeändert; im Graben entsteht ein Potenzialminimum für die Elektronen (Heterostruktur). Ist die Schichtdicke vergleichbar mit der Ausdehnung der Wellenfunktionen der Elektronen des Grabenmaterials, treten Dimensionsquanteneffekte auf, durch die die physikalischen Eigenschaften der Quantengrabenstruktur gegenüber dem Ausgangskristall modifiziert werden: Senkrecht zu den Schichtgrenzen bilden sich stehende Elektronenwellen, die zu diskreten Energieniveaus (Subbänder) für Elektronen (und Löcher) im Grabenmaterial führen. Da die Lage der diskreten Energieniveaus sich mit der Schichtdicke ändert, werden nicht nur die elektrischen, sondern auch die optischen Eigenschaften geändert. Quantengräben werden zunehmend in Laserdioden eingesetzt.

 

Begrenzt man die Bewegung der Elektronen in zwei Raumrichtungen durch Barrieren, so erhält man analog zum Quantengraben einen Quantendraht (Abkürzung QWW, englisch quantum well wire), in dem die Elektronen wie in einem metallischen Draht nur in Richtung der Achse fließen können. Durch die Begrenzung der Bewegung in allen drei Raumrichtungen erhält man einen Quantenpunkt (Abkürzung QD, englisch quantum dot), der auch als Superatom bezeichnet wird, da die Elektronen ebenso wie in einem Atom vollständig in einem kleinen Raumbereich lokalisiert sind. Quantenpunkte bilden sich bei geeigneten Kristallzüchtungsverfahren in regelmäßigen Anordnungen durch selbstorganisiertes Wachstum, sie wurden erstmals 1994 realisiert (Nanotechnologie).