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scientia halensis 2/2004 .................................................................................... Interdisziplinäres Zentrum für Materialwissenschaften ................................................................................ Photonische Kristalle 12 Photonische Kristalle sind im (sub)-µm- Bereich periodisch strukturierte dielektrische Materialien. Solche periodischen Strukturen können Frequenzbereiche (Bandlücken) aufweisen, in denen sie kein Licht transmittieren. Photonische Kristalle kann man auch als Halbleiter für Licht bezeichnen. Solche photonischen Kristalle sind die Basis für vielfältige Anwendungen in der Optoelektronik. Sie werden in optischen Technologien, die die heutigen Informati- Abb. 3: Photonic Micropolis – Vision einer Kombination verschiedener auf photonischen Kristallen beruhender Komponenten (Joannopulos Research Group at MIT, http://ab-initio.mit.edu/photons/ micropolis.html) onstechnologien ablösen werden, eine große Rolle spielen (s. Abb. 3). Am MPI für Mikrostrukturphysik werden in der Abteilung von Prof. Dr. Ulrich Gösele zweidimensionale Strukturen, bestehend aus gitterperiodisch angeordneten Poren im Ausgangsmaterial, z. B. einem Silizium-Wafer, mittels elektrochemischer Ätzverfahren hergestellt. Diese Strukturen können als Template zur Herstellung von Nanoröhren und Nanostäben, wie in dem Artikel auf Seite 24 erläutert, verwendet werden, stellen aber gleichzeitig photonische Kristalle dar. Eine wichtige Problemstellung ist die Optimierung der photonischen Bandlücke in zweidimensionalen Strukturen, bzw. die Konstruktion von dreidimensionalen photonischen Strukturen mit großer photonischer Bandlücke. In Zusammenarbeit mit Dr. Reinald Hillebrand (MPI für Mikrostrukturphysik) wurde eine dreidimensionale Struktur entwickelt (s. Abb. 4), die eine photonische Bandlücke von mehr als 25 Prozent der Mittenfrequenz der Bandlücke aufweist. Diese Struktur kann aus den elektrochemisch hergestellten zweidimensionalen Strukturen erzeugt werden, indem senkrecht zu den geätzten Poren ein weiteres Porengitter mittels Ionenstrahlätzung erzeugt wird. Gerade dieses Beispiel zeigt die Zukunft des Gebietes Computational Nanosience: Abb.4: Design eines photonischen Kristalls basierend auf makroporösen Silizium das gezielte Konstruieren von Mikro- und Nanostrukturen mit bestimmten vorgegebenen Eigenschaften. ■ Der Autor, Jg. 1954, studierte von 1972 bis 1977 Physik an der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg. Nach Promotion und Habilitation wurde er 1996 zu apl. Professor für Computational Physics ernannt. Er leitet das Zentrum für Computational Nanoscience. Seine Forschungsschwerpunkte sind Festkörpertheorie und Photonik. Attraktive Eigentumswohnungen - Straße der OdF 2
.............................................................................. scientia halensis 2/2004 Interdisziplinäres Zentrum für Materialwissenschaften EPOS – INTENSIVE POSITRONENQUELLE FÜR DIE MATERIALFORSCHUNG KOOPERATION ZWISCHEN UNI UND FORSCHUNGSZENTRUM ROSSENDORF Reinhard Krause-Rehberg, Gerhard Brauer und Hartmut S. Leipner Materialforschung mit Positronen ist eine anerkannte Spezialrichtung der halleschen Physik. In Kooperation zwischen dem Großforschungszentrum Rossendorf und dem Interdisziplinären Zentrum für Materialwissenschaften der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg befindet sich eine hochintensive Positronenquelle im Aufbau. Nach Fertigstellung wird das Labor als ein europäisches Kompetenzzentrum für Materialforschung mit Positronen auch externen Nutzern zur Verfügung stehen. Die weitere Entwicklung der Materialwissenschaften gehört zu den erklärten Schwerpunkten der Forschungskonzeption der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg. In diesem Kontext wurde im Vorjahr mit der Errichtung eines weit über die Grenzen des Landes Sachsen-Anhalt hinaus wirksamen Kompetenzzentrums für Material- und Werkstoff-Forschung mit hochintensiven Positronenstrahlen begonnen. Dieses Vorhaben ordnet sich ein in die Aktivitäten des Interdisziplinären Zentrums für Materialwissenschaften der Universität zum Studium nanostrukturierter Materialien. Die Martin-Luther-Universität hat dazu einen Kooperations- und Nutzungsvertrag mit dem Forschungszentrum Rossendorf e. V., einer Institution der Leibniz-Gemeinschaft, zur Errichtung eines externen Forschungslaboratoriums abgeschlossen. Materialforschung mit Positronen Die Nachfrage nach analytischen Methoden mit einer Auflösung bis zu einem Millionstel Millimeter wächst infolge der zunehmenden Miniaturisierung in allen Bereichen der Materialwissenschaften. Untersuchungen mit Positronen haben sich in den letzten Jahren zu einer unverzichtbaren Methode der Materialcharakterisierung entwickelt. Das Positron ist dabei ein Elementarteilchen, das exakt einem Elektron entspricht, mit dem Unterschied einer ent- ............................................................................... gegengesetzten elektrischen Ladung. Beim Aufeinandertreffen von negativ geladenen Elektronen der Materie mit den Positronen kommt es zur Zerstrahlung (Annihilation), also zur Bildung von Gammastrahlen, der Umwandlung von Masse in Energie. Aus diesem Vorgang können in sehr empfindlicher Weise spezifische Informationen über den inneren Aufbau von Festkörpern entnommen werden. Dafür werden die Positronen beispielsweise aus einer radioaktiven Quelle in den zu untersuchenden Werkstoff implantiert. Dort überleben sie noch eine kurze Zeit, in der sie sich frei durch das Material bewegen. Treffen sie dabei auf Defekte im Material (Fehlstellen im Kristallgitter, Versetzungen, Nanoporen, usw.), so können sie für den Rest ihrer Lebensdauer dort lokalisiert werden. Dabei ändern sich die von außen messbaren Annihilationsparameter, wie u. a. die Positronenlebensdauer. Damit können diese Defekte in Größe, Zahl und ihren chemischen Eigenschaften untersucht werden. Die Positronentechnik kann für die Cha- Das Foto zeigt den Leiter der ELBE-Strahlenquelle des Forschungszentrums Rossendorf Dr. Peter Michel (links) und Dr. Gerhard Brauer (Mitautor) vor der Strahlerzeugungsanlage von ELBE. Foto: FZR-Archiv 13
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