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Die Helmholtz Nano Facility (HNF)

Die Helmholtz Nano Facility (HNF) ist die zentrale Technologieplattform für Nanoelektronik der Helmholtz-Gemeinschaft. Sie ist ein modernes Reinraumzentrum am Forschungszentrum Jülich. Auf einer Fläche von 1.200 Quadratmetern erforschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die elektronischen Eigenschaften von Festkörpern und entwickeln Materialien, Bauelemente und Schaltungen für neue Lösungen in der Informationstechnologie. Diese sollen dazu beitragen, dass IT-Systeme nicht nur leistungsfähiger, sondern auch energieeffizienter und damit umweltfreundlicher werden.

Forschungsansätze, für die die HNF genutzt wird, beinhalten zum Beispiel Schaltungen, die auf neu entdeckten Oxiden oder auf dem Elektronenspin beruhen oder Schnittstellen zu lebenden Zellen. Diese könnten neue Anwendungen ermöglichen, etwa effiziente Chips für den Null-Watt-PC, nicht-flüchtige Computerspeicher oder innovative Lösungen und Sensoren aus der Verknüpfung von Biologie und Elektronik.

Ausstattung

Mit ihrer besonderen Ausstattung, die Universitäten, Forschungsinstitutionen und der Industrie offen steht, bildet die HNF eine europaweit einzigartige Forschungsinfrastruktur. Der industriekompatible Gerätepark, der aus Mitteln der Helmholtz-Gemeinschaft finanziert wurde, enthält Anlagen zu Belichtung, Reinigung und Kontrolle von Wafern, zur Bearbeitung mit Ionenstrahlen und weitere nanoelektronische Prozesstechnik. Die Prozessierung selbst – das heißt, die Nutzung der Instrumente – liegt dabei in der Hand des Nutzers, der von den Fachleuten der HNF begleitet werden.

Eine einzigartige Einrichtung, die den Wissenschaftlern in der HNF zur Verfügung steht, ist das sogenannte Nano- und Epitaxiefabrikationscluster (NEC). Die Anlage, die von Jülicher Wissenschaftlern konzipiert wurde, umfasst eine Reihe von Geräten zur Herstellung, Verarbeitung und Analyse von kleinsten Strukturen auf künstlichen Kristallen. Auf einer Fläche von 6 mal 15 Metern können so mit unterschiedlichen Verfahren künstliche Kristallstrukturen erzeugt und anschließend Schaltkreise im Nanometermaßstab erstellt und untersucht werden.

Die detaillierten Materialeigenschaften von Proben können anhand unterschiedlicher Methoden bestimmt werden.

Blick in das Reinraumzentrum in der HNFDas Reinraumzentrum an der Helmholtz Nanoelectronic Facility, Forschungszentrum Jülich
Copyright: Forschungszentrum Jülich

Forschungsgebiete an der HNF

An der Helmholtz Nano Facility können sehr unterschiedliche Materialien und Probenarten untersucht werden. Dementsprechend vielfältig sind die Forschungsansätze, an denen Wissenschaftler hier arbeiten – von Mikrostrukturen für die Optimierung von Fotovoltaik-Anlagen bis zum experimentellen Ionenantrieb für Satelliten.

Schwerpunkt der Arbeit an der HNF ist die "Grüne Informationstechnologie" der Zukunft: Dabei geht es um die ressourcenschonende Nutzung von Energie durch Effizienzsteigerung in der Informationstechnologie. Fortschritte auf diesem Gebiet sind wichtig, weil der Energiebedarf elektronischer Schaltungen und Anwendungen rasant wächst und derzeit bereits bei etwa zehn Prozent des bundesweiten Stromverbrauchs liegt.

Eine Haupt-Forschungslinie an der HNF beschäftigt sich daher mit der Optimierungen von Bauelementen für die Informationsverarbeitung auf Silizium-Basis. Ziel ist es unter anderem, die bewährte CMOS-Technik auf Halbleiterbasis bis an die Grenze des physikalisch Machbaren zu bringen und damit Transistoren zu entwickeln, die energieeffizienter sind als die heutigen.

Vielversprechend für die Energieersparnis im Bereich der IT sind darüber hinaus Ansätze, die darauf abzielen, Daten auf Computerchips mit Licht zu übertragen anstelle über Kupferverbindungen, die eine hohe Wärmebelastung und eine begrenzte Bandbreite mit sich bringen. Hierzu arbeiten Wissenschaftler an optoelektronischen Bauelementen, die Lichtquellen direkt in Silizium integrieren. Langstrecken-Telekommunikationsnetze und Rechenzentren setzen teilweise schon seit Jahrzehnten auf optische Verbindungen. Mit ihnen lassen sich auch über größere Entfernungen noch sehr hohe Bandbreiten erzielen. Über Glasfaserkabel pflanzen sich die Signale praktisch verlustfrei und simultan über verschiedene Wellenlängen fort. Schwierig ist es bisher, Informationen auf Computerchips sowie zwischen verschiedenen Komponenten auf einem Board auf optoelektronischer Basis zu übertragen.

Weitere Forschungsansätze beschäftigen sich mit der Spintronik. Wissenschaftler gehen hier der Frage nach, wie man das Drehmoment von Elektronen, den Spin, in Nanostrukturen für den Transport von Informationen und zur Datenverarbeitung nutzen kann.

Auch quantenphysikalische Eigenschaften von Materialien werden an der HNF erforscht, zum Beispiel inwiefern es möglich ist, Qubits mit Halbleitern zu erzeugen und skalierbare Konzepte für das Quantencomputing zu entwickeln.

Ein weiterer Forschungsbereich, der die Labore der HNF nutzt, ist die Jülicher Bioelektronik. Hier erforschen Wissenschaftler, wie einzelne Zellverbände miteinander kommunizieren. Dafür lassen sie Neuronen auf elektronischen Bauelementen wachsen und verknüpfen Biologie und Elektronik. Langfristige Anwendungsziele sind bioelektronische Implantate für den Einsatz am Menschen – also beispielsweise künstliche Netzhäute für Blinde, Hörimplantate oder Prothesen, die sich direkt durch das Nervensystem des Patienten steuern lassen. Ebenfalls denkbar wären Biochips, die anhand von Messdaten aus dem unmittelbaren Umfeld schnell und zuverlässig Spurenstoffe zum Beispiel in Luft oder Wasser detektieren.

Im Bereich der Energieforschung nutzen Wissenschaftler die HNF, um Solarzellen zu optimieren. Das Ziel ist es hier, das sogenannte Lichtmanagement zu verbessern. Das heißt, die Fläche der Solarzelle durch dreidimensionale nanostrukturierte Oberflächen zu vergrößern, damit mehr Licht in die Solarzellen einfallen kann – und dieses besser verwertet werden kann.

Weitere Informationen

Website der HNF


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