Die 'coolsten' Halbleiter-Nanodrähte

Eine neue Methode ermöglicht die kostengünstige Herstellung von Silizium-Nanodrähten

22. März 2011

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.

 

Wie die Forscher mittels analytischer Transmissionselektronenmikroskopie direkt verfolgen konnten, beginnen die Siliziumatome bereits bei einer Temperatur von 120°C aus der Siliziumschicht in dem Aluminiumkatalysator zu fließen. Bei solch niedrigen Temperaturen ist der Aluminiumkatalysator im festen Zustand und kann zudem keine Siliziumatome in sich aufnehmen. Die mikroskopischen Untersuchungen zeigen, dass die Siliziumatome sich stattdessen an den Grenzen zwischen den Aluminiumkristallen orientieren. Sobald sich mehr und mehr Siliziumatome an den Aluminiumkorngrenzen ansammeln, ordnen sie sich allmählich in winzige kristalline Nanodrähte um, weil dies zu einer Verringerung der Gesamtenergie des Systems führt. So entsteht ein Netz von kristallinen Nanodrähten, deren Muster durch das Aluminiumkorngrenzen-Netzwerk vorgegeben ist. Auf diese Weise lassen sich Drähte von nur 15 Nanometern Dicke herstellen.

Der von den Stuttgarter Materialwissenschaftlern aufgedeckte Mechanismus für das Wachstum von Nanodrähten unterscheidet sich offensichtlich grundlegend von dem konventionellen VLS-Wachstumsmechanismus. Die neue Wachstumsmethode erfordert nämlich keine Löslichkeit des Halbleiters in dem Metallkatylsator und kann daher bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen von 150°Celsius unter Verwendung von preiswerten Katalysatoren wie Aluminium eingesetzt werden.

Die größten Vorteile der neuen Methode sind folglich, dass sie ohne hohe Substrattemperaturen, sowie ohne teure Katalysatoren auskommt. Zudem können Materialforscher die Größe der Aluminiumkörner und damit die Form des Aluminiumkorngrenzen-Netzwerks je nach Bedarf variieren und so das gewünschte Muster von Silizium-Nanodrähten herstellen. Der Aluminiumkatalysator lässt sich sehr leicht durch selektives Ätzen entfernen. Da Aluminiumfilme bereits seit Jahrzehnten in der Mikroelektronik eingesetzt werden, ist ihre Herstellung und Bearbeitung vielfach erprobt. Möglicherweise eignen sich aber auch andere Katalysatoren für das Verfahren. Ein weiterer Vorteil: Mit der Technik lassen sich nanostrukturierte Silizium-Bauteile auf die meisten Kunststoffe direkt aufbringen, selbst wenn diese hitzeempfindlich sind.

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