Wie Nanosäulen wachsen
Winzige Strukturen in der Nanowelt können bekannten Materialien ganz neue Eigenschaften verleihen. Im Rahmen einer Promotion am Leibniz-Institut für Kristallzüchtung (IKZ) und der Humboldt-Universität wurden Nanosäulen aus Silizium und Germanium gezüchtet und untersucht. Die Ergebnisse bereiten den Weg zu neuen Anwendungen vor.
Silizium-Nanosäulen auf vorstrukturiertem Silizium-Substrat.
IKZ
Meistens ist es am IKZ ein Erfolg, einen besonders großen Kristall zu züchten. Die Gruppe von Dr. Torsten Boeck arbeitet gerade am Gegenteil: Sie züchtet Nanosäulen. In der Welt der Nanostrukturen gelten andere Prinzipien als in der Makrophysik, daher lässt sich Material mit ganz neuen Eigenschaften entwickeln. Die Wissenschaftler hoffen, dass diese Strukturen ganz neue Technologien ermöglichen.
Zum Beispiel Silizium: Für neunzig Prozent der Elektronikbauteile wird Silizium verwendet, es wird in großen Mengen produziert und ist daher relativ günstig. Prof. Hans Lüth vom Forschungszentrum Jülich, einer der führenden deutschen Experten auf dem Gebiet der Nanostrukturen, erläutert: "Nur für die Optoelektronik ist Silizium nicht geeignet, da es nicht leuchten kann. Dies könnte sich mit Nanosäulen aus Silizium anders verhalten, was eine Revolution für die Optoelektronik bedeuten würde." Auch für elektronische Bauelemente von morgen oder Solarzellen könnten kristalline Nanosäulen von großer Bedeutung sein.
Bis dahin ist jedoch noch einiges zu tun: Zunächst muss eine Technologie entwickelt werden, um solche Nanosäulen herzustellen. Es fehlt bisher auch das grundlegende Verständnis der Oberflächenphysik, wenn nur wenige Atome vorhanden sind, denn die Gesetze der Makrophysik lassen sich nicht einfach übertragen. Und schließlich müssen für eine Anwendung funktionierende Bauelemente hergestellt und integriert werden.
Der ersten Aufgabe widmete sich Andrea Kramer in ihrer Doktorarbeit am IKZ. Sie hat Nanosäulen aus Silizium und Germanium gezüchtet. Drei Dinge musste sie bei dem Wachstumsprozess unter Kontrolle bringen: Neben der winzigen Größe musste sie die Wachstumsrichtung und die Position beeinflussen. Insbesondere im Hinblick auf zukünftige Bauelemente dürfen die Säulen nicht ungeordnet auf dem Trägermaterial stehen, sondern sollen gitterartig angeordnet sein. Außerdem sollen sie senkrecht aus dem Material herausstehen und nicht schräg wachsen.
Um die Säulen zu positionieren, hat Andrea Kramer zunächst mit einem fokussierten Ionenstrahl winzige Vertiefungen in den Träger eingebracht. Aus diesen Poren sollten dann später die Nanosäulen wachsen. Anschließend hat sie Gold so auf das Substrat verdampft, dass sich in jeder Vertiefung ein winziges Goldtröpfchen sammelte. In diesen Goldtröpfchen entstehen die Wachstumskeime. Durch Verdampfen des zu züchtenden Materials, in diesem Falle Silizium oder Germanium, und Erhitzen des Substrates diffundieren die Si- bzw. Ge-Atome auf der Oberfläche und sammeln sich in den Goldtröpfchen. Die Goldtröpfchen nehmen das Material so lange auf, bis sie übersättigt sind. Von da an kristallisiert das überzählige Material auf dem Siliziumsubstrat aus - die Säule beginnt zu wachsen. Die wachsende kristalline Struktur passt sich dabei der Struktur des Substrats an, ein solches Kristallwachstum heißt epitaktisches Wachstum.
Nicht nur die Positionierung hat Andrea Kramer in den Griff bekommen, sondern auch die Wachstumsrichtung: "Ich habe festgestellt, dass die Nanosäulen bei einer hohen Temperatur und bei einer hohen Übersättigung senkrecht zum Substrat wachsen. Bei geringeren Temperaturen wachsen sie schräg."
Für Nanosäulen gibt es viele weitere Anwendungsmöglichkeiten. Neben der Elektronik können sie Grundlage sein für Biosensoren auf molekularer Ebene und so neue Möglichkeiten in der Medizin eröffnen.
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