Nanostrukturen aus bisher unmöglichem Material
Germanium und gewünschte Fremdatome lassen sich beliebig mischen
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Nanostrukturen aus bisher unmöglichem Material (Foto: tuwien.at) |
Wien (pte021/06.03.2018/11:30) Forscher der Technischen Universität Wien (TU Wien) http://tuwien.at haben eine neue Methode entwickelt, mit der sich bisher nicht erreichbare Mischungsverhältnisse zwischen Germanium und gewünschten Fremdatomen erreichen lassen. So entstehen neue Materialien mit deutlich veränderten Eigenschaften.
Neue Halbleitermaterialien
"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. Unsere moderne Elektronik beruht auf Halbleitern mit bestimmten Zusätzen - ein Beispiel dafür sind etwa Siliziumkristalle, in die Fremdatome wie Phosphor oder Bor eingebaut werden.
Auch das Halbleitermaterial Germanium sollte seine Eigenschaften grundlegend ändern und sich eher wie ein Metall verhalten, wenn man eine ausreichende Menge an Zinn beimengt - das war bereits bekannt. Doch in der Praxis war das bisher 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 Metall-Legierungen 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 diese Fremdatome nach einem erfolgreichen Einbau aus dem Kristall ausscheiden und im Inneren wieder nur eine sehr geringe Konzentration dieser Atome zu finden ist."
Innovative Mikroelektronik
Das Verfahren der Forscher liefert ein besonders schnelles Kristallwachstum mit sehr niedrigen Prozesstemperaturen. Dabei wird bei der Entstehung des Kristalls laufend die richtige Menge der Fremdatome eingebaut. Die Kristalle wachsen in Form von Drähtchen oder Stäbchen im Nano-Format, und zwar bei deutlich geringeren Temperaturen als bisher, nämlich bloß 140 bis 230 Grad Celsius.
"Dadurch sind die eingebauten Atome von Anfang an weniger beweglich, die Diffusionsprozesse sind langsam, die meisten Atome bleiben dort, wo man sie haben will", so Barth. Mit der Methode gelang es, bis zu 28 Prozent Zinn beziehungsweise 3,5 Prozent Gallium in Germanium einzubauen. Das ist viel mehr, als bisher durch gewöhnliche thermodynamische Kombination dieser Materialien möglich war - nämlich das 30- bis 50-Fache.
Für die Mikroelektronik eröffnet das neue Möglichkeiten: Die dank des neuen Ansatzes erzeugten Materialien wären etwa für Infrarot-Laser, für Photodetektoren oder neuartige LEDs im Infrarot-Bereich einsetzbar, da sich die physikalischen Eigenschaften des Germaniums durch diese Zusätze signifikant ändern.
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