Forscher beobachten wachsende Nanodrähte live

| Redakteur: Sebastian Gerstl

Nadel-Wald: Nanodrähte auf einem Siliziumträger, aufgenommen im DESY NanoLab.
Nadel-Wald: Nanodrähte auf einem Siliziumträger, aufgenommen im DESY NanoLab. (Bild: DESY, Satishkumar Kulkarni/Thomas Keller)

Ob schnellere Datenkabel oder höhere Energieeffizienz: Maßgeschneiderte Nanodrähte könnte die Elektronik auf vielen Gebieten revolutionieren. Doch um dies zu erreichen, muss man ihr Wachstum erst besser verstehen. Wissenschaftler des KIT sind dieser Erkenntnis nun einen deutlichen Schritt näher gekommen.

Wissenschaftlern des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) ist es gelungen, das Wachstum winziger Drähte aus Galliumarsenid live zu verfolgen. Die Erkenntnisse führen nicht nur zu einem besseren Verständnis des Wachstums, sondern sie bieten auch Ansätze, zukünftig Nanodrähte mit speziellen Eigenschaften für bestimmte Anwendungen maßzuschneidern.

Galliumarsenid ist ein breit verwendeter Halbleiterwerkstoff, der in Infrarotfernbedienungen, in der Hochfrequenztechnik für Handys, für die Umwandlung von elektrischen Signalen in Licht für Glasfaserkabel und auch für Solarzellen in der Raumfahrt eingesetzt wird.

Für die Herstellung der Drähte nutzten die Wissenschaftler den selbstkatalysierenden Vapor-Liquid-Solid-Prozess (VLS-Prozess). Dabei werden winzige flüssige Galliumtröpfchen auf einen rund 600 Grad Celsius heißen Siliziumkristall aufgebracht. Danach wird dieser Wafer mit gerichteten Strahlen aus Galliumatomen und Arsenmolekülen bedampft, die sich in den Galliumtröpfchen auflösen. Nach einer gewissen Zeit beginnen unterhalb der Tröpfchen Nanodrähte zu wachsen.

Die Galliumtröpfchen wirken hierbei als Katalysator für das Längenwachstum der Drähte. „Dieser Prozess ist zwar recht etabliert, bisher lässt sich die Kristallstruktur so hergestellter Nanodrähte allerdings noch nicht gezielt steuern. Um dies zu erreichen, müssen erst die Details des Wachstums verstanden werden“, betont Co-Autor Ludwig Feigl vom KIT.

Für ihre Untersuchungen verwendete die Gruppe eine mobile, speziell für Röntgenuntersuchungen entwickelte und vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) finanziell unterstützte Versuchskammer des Instituts für Photonenforschung und Synchrotronstrahlung (IPS) am KIT. Bei den Untersuchungen an der Forschungslichtquelle PETRA III des Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) machten die Forscher im Minutentakt Röntgenaufnahmen, mit denen sie gleichzeitig die Struktur und den Durchmesser der wachsenden Nanodrähte bestimmten. Ergänzend dazu vermaßen sie die fertiggestellten Nanodrähte mit einem Elektronenmikroskop.

„Wir haben herausgefunden, dass für das Wachstum der Nanodrähte nicht nur der VLS-Prozess verantwortlich ist, sondern auch eine zweite Komponente, die wir in diesem Experiment erstmals direkt beobachten und quantifizieren konnten. Dieses sogenannte Seitenwand-Wachstum lässt die Drähte zusätzlich in die Breite wachsen“, erklärt Studien-Autor Philipp Schroth.

Außerdem werden im Laufe des Wachstumsprozesses die Galliumtröpfchen durch das fortwährende Aufdampfen von Gallium kontinuierlich größer. Das hat einen weitreichenden Effekt: „Mit der Tröpfchengröße ändert sich der Kontaktwinkel zwischen den Tröpfchen und der Oberfläche der Drähte. In bestimmten Fällen führt das dazu, dass der Draht plötzlich in einer anderen Kristallstruktur weiterwächst“, sagt Feigl. Diese Änderung ist für Anwendungen wichtig, da die Struktur und die Form der Nanodrähte große Auswirkungen auf die Materialeigenschaften haben.

Die Ergebnisse stellten die Forscher um Philipp Schroth vom KIT und von der Universität Siegen im Fachblatt „Nano Letters“ vor.

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