Forschung -

Nanostrukturen aus bisher unmöglichem Material

Die physikalischen Eigenschaften eines Materials lassen sich verändern, indem man einen gewissen Anteil eines zusätzlichen Elements hinzufügt. Allerdings gelingt es nicht immer, die gewünschte Menge in die Kristallstruktur einzubauen. Mit einer neuen Methode können bisher nicht erreichbare Mischungsverhältnisse von Germanium und Fremdatomen erreicht werden.

„In einen Kristall gezielt Fremdatome einzubauen, um seine Eigenschaften zu verbessern, ist eigentlich eine Standardmethode“, sagt Sven Barth vom Institut für Materialchemie der TU Wien. Die moderne Elektronik beruht auf Halbleitern mit bestimmten Zusätzen – etwa Siliziumkristallen, in die Fremdatome wie Phosphor oder Bor eingebaut werden.

Auch für das Halbleitermaterial Germanium ist seit Langem bekannt, dass es seine Eigenschaften grundlegend ändern und sich eher wie ein Metall verhalten sollte, wenn man eine ausreichende Menge an Zinn beimengt – in der Praxis war das bisher jedoch nicht zu erreichen.

Naiv betrachtet könnte man einfach versuchen, die beiden Elemente stark zu erhitzen, sie in flüssiger Form gut durchzumischen und dann erstarren zu lassen, wie man das seit Jahrtausenden macht, um einfache Metalllegierungen herzustellen. „Diese einfache thermodynamische Methode versagt aber in diesem Fall, weil sich die beigemischten Atome nicht effizient ins Gittersystem des Kristalls einfügen“, erklärt Barth. „Je höher die Temperatur, umso beweglicher sind die Atome im Material. Das kann dazu führen, dass sich die Fremd­atome nach einem erfolgreichen Einbau beim Abkühlen aus dem Kristall ausscheiden und im Inneren wieder nur eine sehr geringe Konzentration dieser Atome zu finden ist.“

Barths Team entwickelte daher einen neuen Zugang, der ein besonders schnelles Kristallwachstum mit sehr niedrigen Prozesstemperaturen verbindet. Während der Entstehung des Kristalls wird laufend die richtige Menge der Fremdatome eingebaut. Die Kristalle wachsen in Form von nanometergroßen Drähtchen oder Stäbchen – mit 140 bis 230 °C bei deutlich geringeren Temperaturen als bisher. „So sind die eingebauten Atome von Anfang an weniger beweglich, die Diffusionsprozesse sind langsam und die meisten Atome bleiben dort, wo man sie haben will“, erklärt Barth.

Mit dieser Methode gelang es den Forschern, bis zu 28 % Zinn beziehungsweise 3,5 % Gallium in Germanium einzubauen – das 30- bis 50-Fache dessen, was bisher mittels gewöhnlicher thermodynamischer Kombination dieser Materialien möglich war.

Für die Mikroelektronik eröffnet das neue Möglichkeiten: „Germanium ist einerseits gut mit bestehender Siliziumtechnologie kombinierbar, und der Zusatz von Zinn beziehungsweise Gallium in solch hohen Konzentrationen bietet andererseits interessante optoelektronische Anwendungsmöglichkeiten“, sagt Barth. Die Materialien wären etwa für Infrarotlaser, für Fotodetektoren oder neuartige Infrarot-LEDs einsetzbar.

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