Die 'coolsten' Halbleiter-Nanodrähte
Eine neue Methode ermöglicht die kostengünstige Herstellung von Silizium-Nanodrähten
Halbleiter-Nanodrähte sind Schlüsselmaterialien für die Entwicklung von preiswerteren und effizienteren Solarzellen sowie für Batterien mit erhöhter Speicherkapazität. Darüber hinaus sind sie wichtige Bausteine für die Nanoelektronik. Halbleiter-Nanodrähte im industriellen Maßstab herzustellen, ist jedoch sehr teuer. Dafür verantwortlich sind vor allem die hohen Temperaturen, unter denen sie erzeugt werden (600-900°Celsius), sowie die erforderliche Verwendung von teuren Katalysatoren wie Gold. Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme in Stuttgart, vormals Max-Planck-Institut für Metallforschung, haben nun kristalline Halbleiter-Nanodrähte auch bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen von 150°Celsius hergestellt und dabei preiswerte Katalysatoren wie Aluminium eingesetzt. Sie können so auch nanostrukturierte Halbleiter direkt auf hitzeempfindlichen Kunststoffoberflächen abscheiden.
Nanodrähte aus Halbleitern wie Silizium oder Germanium werden in Zukunft aus vielen technischen Anwendungen nicht mehr wegzudenken sein. Grundlage für ihre Herstellung ist bis heute ein Prozess, der erstmals im Jahr 1964 beschrieben wurde. Beim so genannten Vapor-Liquid-Solid-Mechanismus (VLS) dienen Partikel eines Metall-Katalysators als Wachstumskeime für die Drähte. Dazu werden die Metallpartikel auf ein festes Substrat aufgebracht, geschmolzen und einer Silizium- oder Germanium-haltigen Gasatmosphäre ausgesetzt. Daraufhin nehmen die Metalltropfen so lange Atome des Halbleiters aus dem Gas auf, bis sie übersättigt sind und der überschüssige Halbleiter an der Grenze zum Substrat auskristallisiert – ein Nanodraht wächst. Als Katalysator in diesem Prozess dient meistens Gold, weil es als Schmelze viel Silizium oder Germanium aufnehmen kann. Die Verwendung des teuren Katalysators sowie die hohe Prozesstemperatur von 600 bis 900 ºC, schlagen sich jedoch auf die Herstellungskosten nieder.
Materialforscher aus der Abteilung von Eric Mittemeijer am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme haben nun ein Verfahren entdeckt, mit dem sich Halbleiter-Nanodrähte bei viel niedrigeren Temperaturen von nur 150° Celsius herstellen lassen. Außerdem erlaubt es, billige Katalysatoren wie Aluminium zu verwenden. Gemeinsam mit Kollegen vom Stuttgarter Zentrum für Elektronenmikroskopie, einer Forschungseinrichtung am selben Institut, ist es ihnen gelungen, das Nanodraht-Wachstum im atomaren Maßstab in Echtzeit zu beobachten.
Die Wissenschaftler stellten hierzu eine Doppelschicht aus kristallinem Aluminium und amorphem Silizium her. Die Schicht wurde im Vakuum und bei Raumtemperatur mittels thermischer Verdampfung erzeugt. Während die Atome in der amorphen Siliziumphase ungeordnet vorliegen, sind sie in der Aluminiumschicht in einem regelmäßigen Kristallgitter angeordnet. Hier formen sie Milliarden von winzigen Aluminiumkristallen, jeder davon nur rund 50 Nanometer groß. Die Kristallkörner sind eng benachbart und formen mit ihren Grenzen ein zweidimensionales Korngrenzen-Netzwerk innerhalb der Aluminiumschicht.