From Do-it-yourself Quantum Mechanics toNanotechnology? The History of ExperimentalSemiconductor Physics in Germany,1970-2000.

Christian Kehrt

Helmut-Schmidt-Universität Hamburg

I. From semiconductor physics to„nanotechnology“?

II. Munich nanonetworksIII. 70s: a new Quantum GenerationIV. The technoscientific practice of do-it-yourself-

quantum-mechanicsV. 80s: the foundation of the Walter-Schottky-

InstituteVI. 90s: Crisis and reorientationVII. Conclusion: The reinvention of semiconductor

physics

„Given the hype surroundingnanotechnology, few people realizethat some of us have been practicingnanotechnology for over 30 years –we just didn‘t call it nanotechnology“

Herbert Kroemer: Nanowhatever. Do we reallyknow where we are heading?, in: Phys. Stat. Sol.(A) 202 (2005) 6, p. 959.

100 most cited nanopublications in Munich

disciplines of theCenter for Nanoscience

Zugehörigkeit nach Disziplinen (Professoren)

ChemieBiologieElektrotechnik

PhysikMedizin(technik)Geo-und Umweltwissenschaften

Prof. Kotthaus, experimental physics LMUfounding father of CeNS

„ […] die Idee so was zu machen, ehrlichgesagt, hat mich an sich bewegt seit Anfangder 80er Jahre, als ich gesehen habe, wie inden USA solche Zentren entstanden sind. DieVorbildfunktion hat für mich das QUEST.QUEST heißt eben ‚quantum-electronic-structures‘ und war eine Zusammenarbeit vonWissenschaftlern in Santa Barbara, die ebenwirklich auf gemeinsamen Interessen beruht,ich war damals praktisch jeden Sommer einbis zwei Monate in Santa Barbara, das hatnatürlich auch wieder andere Gründe.“

Prof. Kotthaus, experimental physicsLMUfounding father of CeNS

“Also, da war das ungewöhnlich, aber esgab andererseits, ich meine „Esaki“ hat beiIBM die Molekularstrahlepitaxie angefan-gen Anfang der 70er-Jahre. Und das istauch das, was mich völlig fasziniert hat. Damuss ich sagen, für mich der Träger war,als Leute künstliche Festkörper gebauthaben durch Schichtung von Materialien.Und das war auch im Grunde genommender Beginn der Nanowissenschaften imexperimentellen Bereich, also wenn manFeynman mal weglässt.“

Gerhard Abstreiter, director of Walter-Schottky-Institute TUM

„Ich war Doktorand, auch der ersteDoktorand im Lehrstuhl von Professor Koch,der `73 da neu aufgebaut wurde und mankönnte grob sagen, das war so eine ArtVorläufer für Nanowissenschaften, dieserSonderforschungsbereich“

„Ich meine, Quantenfilm oder Quantenbrunnen oderQuantentröge, oder wie immer, Potenzialtöpfe haben wires eigentlich früher genannt. Die hat man in den 30erJahren schon gerechnet. Das kam auf, nachdem mandie Quantisierung eingeführt und sich an die gewöhnthatte. Es gab ja die Modelle, aber immer nur alsGedankenmodelle. Hier konnten wir das jetzt wirklich imBauelement, im Halbleiter ausnutzen, herstellen, undtatsächlich auch sehen, dass man sehr viel bessereBauelementeeigenschaften bekommen hat.“

Prof. Weimann,MBE practitioner

Leo Eski‘s idea of the superlatticeNobel Prize 1973

„It should be possible to obtain a novel classof man made semiconductor materials, atleast as far as eclectronic properties areconcerned, and one expects the propertiesto depend not only on band parameters ofthe host crystal, but also on thecharacteristics of the superlattice.“

Leo Esaki, R. Tsu: Superlatticde and negativedifferential conductivity in semiconductors, in IBMJ.Rs. Develop. (1970), P. 61.

The technoscientific practice of Molecular Beam Epitaxy

theoretical and experimental physicists indialoge, Klaus Ploog (right) at the MPIStuttgart, early 1980s

Prof. Koch, beginning of semiconductorphysics at the TU Munich

KOCH: Und wenn ich solche Elektronen inNanostrukturen einbaue oder habe, oder dieElektronen erschienen dadurch, dass man sieinjiziert, oder irgendetwas macht, dass einElektron da ist, und wenn dann ein Elektron insolchen Dimensionen sozusagen beherbergtist, eingesperrt ist, dann ändern sich seineEigenschaften.

KEHRT: und das ist spannend?KOCH: Das ist absolut spannend. Das ist ganz

grundlegende Physik. Das sind Heisenbergund Sommerfeld, Sommerfeld nicht so richtig,aber Heisenberg und May Planck us. Also dieganze Quantenpyhsik der Elektronen kommtda zum Tragen.“

Hawaii Conference 1972 on quantum phenomena in metal surfaces and semiconductors

Gerhard Dorda, basic research onnew quantum phenomena at Siemens

“Das ist mein inneres Bestreben, immer so Grundla-genfragen zu erörtern. Ich habe das nebenbei weitergetrieben und eben über die Universitäten. Und sie habendas dann anerkannt, insofern dass sie sagten, na ja, ichbin der typische Forscher. Man nennt das U-Boot-Tätig-keit, also im Untergrund, ohne dass jemand was, weil esnicht gebilligt war, wusste. Und wenn ich dann erfolgreichwar, bin ich wieder aufgetaucht. Und die sagen, wennman das so macht, ist es auch okay. Es ist also tolerier-bar. Und ich bin ein typischer Forscher dieser Art, habensie gesagt. Und dann, also nach dem Nobelpreis selbst-verständlich, habe ich dann absolute Freiheit bekommen.Ich konnte dann quasi machen, was ich wollte. Sie sagenmir, ich bin der letzte Mohikaner bei Siemens, weil nochvor dieser Zeit, als sie angefangen haben bei Siemens,mit Halbleitern zu arbeiten, da haben sie ja auch die III-V-Halbleiter entdeckt. Das war doch in Erlangen.“

„Measurements of the Hall voltage of a twodimensional electron gas, realized with aslicon metal oxide semiconductor field effecttransistor, show that the Hall resstance atparticular, experimentally well defined surfacecarrier concentrations has fixed values whichdepend only on the fine structure-constantand speed of light, and is insensitive to thegeometry of the device“

Klaus v. Klitzing, Gerhard dorda, M. Pepper: New Method forhigh accuracy determination of the fine structure constantbased on quantized hall resistance, in: Physical ReviewLetters 45 (1980) 6, p. 494.

Klitzing‘s Nobel Prize 1980 The discovery of the Quantum Hall effect

Klitzings Hall measurements with Mosfets from Siemens

von Klitzing‘s insight

„KOCH: Diese Struktur wurde für uns geschaffen, genau so wieHitachi für ihre Forscher das machten und benachbarteHochschulen. Und daraus wurde dann die Grunderkenntnisgewonnen. Der wahre Verdienst von Klitzing ist nicht dies Stufen,die haben die Japaner vorher gehabt und ich hatte japanischeBesucher hier, die mir diese Daten zeigten und so was. Es war nichtdie Erkenntnis, dass da Stufen drin sind. Wir hatten einenTheoretiker, der saß im Nebenraum. Der sagte mir damals: Vergissdie Stufen, das ist ein mathematischer Artefakt. Von Klitzing hat daerkannt: Augenblick mal, eine Naturkonstante steckt darin. Und dieBedeutung seiner Entdeckung war wirklich darauf hinzuweisen,dass bis auf unendlich viele Stellen hinterm Komma...“

The foundation of the Walter-Schottky-Institute 1987

Munich Valley: regional competition inthe 80s

v. Klitzings‘ Nobel Prize

Technology transfer betweenuniversity and industry

Large MBE and clean room facilities

Gerhard Abstreiter, director of Walter-Schottky-Institute TUM

On finding new principles:

KEHRT: “Aber was sie hier machen, das istNaturwissenschaft, keine engineering science?

ABSTREITER: Das ist zwischendrin. Wir habenauch engineering, aber im Sinn nicht dasklassische engineering, sondern wirklich neuePrinzipien.”

Prof. Koch on Nanotechnology

KEHRT: D.h. es gibt so eine Wegorientierung vonder Mikroelektronik als Schlüsseltechno-logie?

PROFESSOR KOCH: Ja.

KEHRT: In diesen Forschungsfeldern, die vorhernäher an der Mikroelektronik dran waren.

PROFESSOR KOCH: So ist es. Ganz richtig. Alsodas, was Abstreiter, ich und Kotthaus in denfrühen 70er-Jahren machten und in die 80erhinein... Mitte der 80er fing sich an, das zudivergieren. Dann in den 90ern, als die Firmensich zurück ziehen, dann haben solcheNanoforschungsinstitute ganz andere Dinge, dieweit weg sind von der wirklichen Anwendung.“

Crisis and reorientation in the 90s

• crisis of national innovation system

• cut of longterm research funds

• global competition and short innovation cycles

• growing dominance of the life sciences

• need for a new technological vision at the end ofthe 20th century

Conclusion: The reinvention ofsemiconductor physics

• 70s: a new Quantum Generation

• from quantum wells to quantum wires andquantum dots

• close cooperation with industry

• 90s: crisis of physics

• transdisciplinary orientation towards the lifesciences

• extrascientific affordances: media, ecomnomy

• Mode II or technoscience?