Quantenpunktlaser

Die Farbe des Lichtes, das ein aus Halbleitermaterial bestehender Quantenpunkt emittiert, ist eine seiner Eigenschaften, die in besonders augenfälliger Weise von seiner Größe abhängt. Aus demselben Halbleitermaterial wie beispielsweise aus InGaAsN lassen sich, je nach Größe der verwendeten Strukturen, Laser für sehr helles grünes, blaues oder ultraviolettes Licht herstellen. Eine an die Quantenpunkte angelegte Spannung führt dazu, dass Elektronen in energiereiche Zustände gehoben werden, von denen sie dann unter Lichtemission wieder "herunterfallen". Die von einem Quantenpunkt abgestrahlten Photonen lösen in anderen Quantenpunkten weitere Lichtemissionen aus, und so kommt es gewissermaßen zu einer Lichtlawine, der Laserstrahlung.

Die nanoskopische Architektur ist sowohl die Grundlage für neue, noch dichter gepackte Datenspeicher als auch für ein zukünftiges, auf Halbleiterlasern beruhendes Farbfernsehen. In der Vision der Wissenschaftler und Ingenieure produzieren großflächige Anordnungen der nur jeweils stecknadelkopfgroßen, kaum Energie verbrauchenden Laser ausreichend Licht der drei Grundfarben, um Bilder von bisher nicht gekannter Farbreinheit zu erzeugen. Vielleicht werden wir schon in zehn Jahren über die Antiquiertheit und Komplexität unserer jetzigen Fernsehröhren lächeln. Die Verfügbarkeit von Halbleiterlasern mit Emissionswellenlängen in den drei Grundfarben Rot, Grün und Blau, angepasst an das Farbdreieck und die Empfindlichkeit des menschlichen Auges, würde die Optoelektronikindustrie, die diese Laser produziert, weiterboomen lassen. Jene Firmen, die diese Geräte zuerst kommerzialisieren, werden sich ein riesiges Segment am Konsumgütergerätemarkt der Zukunft sichern.

Der Wert der weltweit produzierten Halbleiterlaser erhöhte sich 1999 um 48 % gegenüber dem Vorjahreswert. Im Schnitt der letzten vier Jahre stieg ihr Produktionswert um 33 % pro Jahr. Halbleiterlaser stellen damit einen der am schnellsten expandierenden Produktionsbereiche der Welt dar. Die Entwicklung neuartiger Laser wie z. B. Quantenpunktlaser könnte Produktionsvolumina in Höhe von mehreren 100 Mrd. $ nach sich ziehen. Allein für Laserdisplaysysteme wird für 2006 ein Markt von 40 Mrd. $ vorausgesagt. Zum Vergleich: Der Wert der Silizium-Mikroelektronikproduktion liegt derzeit bei jährlich 150 Mrd. $. Dass die Nanotechnologie Arbeitsplätze schafft, steht also außer Frage.

Lichtemission eines Indiumarsenid-Quantenpunkts

Bildbeschreibung:
Lichtemission aus einem Indiumarsenid-Quantenpunkt. Aufgetragen ist die Wellenlänge des ausgestrahlten Lichtes in Abhängigkeit von der an den Quantenpunkt angelegten Spannung. Die Zahl der Elektronen auf dem Quantenpunkt kann auf elektrischem Wege schrittweise von null bis vier erhöht werden. Die Farbe des abgestrahlten Lichtes ändert sich jedesmal, wenn ein Elektron hinzukommt. (R. J. Warburton, C. G. Schäflein und K. Karrai, Universität München)
 

Ein völlig anderes Beispiel für die Anwendung von Quantenpunktlasern ist die Informations- und Kommunikationstechnik. 75 % des Umsatzes bei Halbleiterlasern wird mit "Telekom"-Bauelementen gemacht, die in glasfasernutzenden Daten- und Nachrichtenübertragungssystemen als Sender dienen. Aufgrund der rapide wachsenden Zahl von Internetnutzern gibt es einen besonders großen Bedarf an schnell modulierbaren Lasern im Wellenlängenbereich von 1300 nm, deren Wellenlängen geringfügigst gegeneinander versetzt sein sollten. Derartige massenproduktionsfähige Laser mit guten Anwendungseigenschaften gibt es im Augenblick noch nicht. Es ist aber vorhersehbar, dass in naher Zukunft Quantenpunktlaser für neuartige schnelle Telekommunikationssysteme zur Verfügung stehen werden, die aus dem besonders preisgünstigen Substratmaterial Galliumarsenid bestehen und besonders günstige Betriebseigenschaften haben.

Ähnlich revolutionär wird der Fortschritt beim Ersatz unserer äußerst energieverschwendenden Glühlampen sein, die heute eher zur Raumheizung als zur Beleuchtung dienen. Bald werden sie durch energiesparende, lichtemittierende Dioden abgelöst werden, die ebenfalls auf der Basis von Quantenpunkten beruhen könnten. Die Quantenmechanik wird damit still und heimlich Einzug in jeden Haushalt halten.

Die Überwachung unserer Umwelt gehört zu den wichtigsten Aufgaben im nächsten Jahrhundert. Unser Überleben wird davon abhängen, die Luft rein, das Wasser sauber und den Boden unkontaminiert zu halten und dies einfach, schnell und billig zu überwachen. Auf Nanostrukturlasern zurückgreifende optische Zäune lassen sich dann z. B. um Chemiewerke oder Raffinerien ziehen. Zusammen mit entsprechenden Sensoren ermöglichen sie es, den Schadstoffgehalt der Luft im Auge zu behalten.

Die Bundesrepublik Deutschland steht - auch im Vergleich mit ihren Hauptkonkurrenten in Japan und den USA - im Bereich der Halbleiternanotechnologien günstig da. Die Förderung der Deutschen Forschungsgemeinschaft für eine Reihe von Sonderforschungsbereichen in Berlin, München, Würzburg, Marburg und Hamburg sowie die des BMB+F im Rahmen seiner Nanotechnologieförderung haben in der Grundlagenforschung Wettbewerbsvorsprünge oder zumindest Wettbewerbsgleichheit entstehen lassen. So wurde der erste Quantenpunktlaser der Welt in Berlin vorgestellt. Doch inzwischen hat man in den USA Förderungsprogramme mit einem Aufwand von jährlich ca. 500 Mio. $ in allen relevanten Feldern der Nanotechnologie gestartet. Dies wird auch die Umsetzung in innovative Produkte beschleunigen. In den nächsten fünf bis zehn Jahren werden nanotechnologische Konzepte in vielen unterschiedlichen Materialsystemen mit vielen verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden.

Die gesellschaftliche Prosperität beruhte in den vergangenen beiden Jahrhunderten auf dem Besitz von Rohstoffen, die dann in großen Industrieanlagen wie Stahlwerken, Raffinerien und Kokereien veredelt wurden. In der Welt der Zukunft, die durch die Nanotechnologie geprägt sein wird, wird hingegen eine "Entmaterialisierung" stattfinden. Der entscheidende Rohstoff wird aus dem Know-how bestehen, über die Kontrolle der Geometrie von Nanostrukturen deren Funktionalität zu bestimmen.