Meine Merkliste
my.chemie.de  
Login  

Forscher beobachten wachsende Nanodrähte live

Röntgenuntersuchung zeigt erstmals genaue Details des selbstkatalysierten Wachstums

12.02.2018

DESY, Satishkumar Kulkarni/Thomas Keller

Nadel-Wald: Nanodrähte auf einem Siliziumträger, aufgenommen am DESY NanoLab.

An DESYs Röntgenlichtquelle PETRA III haben Wissenschaftler das Wachstum winziger Drähte aus Galliumarsenid live verfolgt. Die Beobachtungen zeigen genaue Details der Wachstumsprozesse, die für Form und Kristallstruktur der kristallinen Nanodrähte verantwortlich sind. Diese Erkenntnisse bieten auch neue Ansätze, zukünftig Nanodrähte mit speziellen Eigenschaften für bestimmte Anwendungen maßzuschneidern. Die Forscher um Philipp Schroth von der Universität Siegen und dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) stellen ihre Arbeit im Fachblatt „Nano Letters“ vor. Galliumarsenid (GaAs) ist ein breit verwendeter Halbleiterwerkstoff, der beispielsweise 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 nutzen die Wissenschaftler den sogenannten selbstkatalysierenden Vapour-Liquid-Solid-Prozess (VLS-Prozess). Dabei werden zuerst 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 setzt das Kristallwachstum der Nanodrähte unterhalb der Tröpfchen ein, wobei die Tröpfchen Schritt für Schritt nach oben geschoben werden. 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 Ko-Autor Ludwig Feigl vom KIT.

Um den Wachstumsprozess live zu beobachten, installierte die Gruppe um Schroth eine mobile, speziell für Röntgenuntersuchungen entwickelte und vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) finanziell unterstützte Versuchskammer des KIT im brillanten Röntgenstrahl von DESYs Forschungslichtquelle PETRA III. Im Minutentakt machten die Forscher Röntgenaufnahmen an der Messstation P09, mit denen sich gleichzeitig die interne Struktur und der Durchmesser der wachsenden Nanodrähte bestimmen lassen. Ergänzend dazu vermaßen die Wissenschaftler die fertiggestellten Nanodrähte mit dem Rasterelektronenmikroskop des DESY NanoLabs. „Um solche komplexen Messungen überhaupt durchführen zu können, haben wir die Wachstumsbedingungen zuvor über einen Zeitraum von sechs Monaten am UHV Analysis Lab des KIT weitestgehend optimiert“, erklärt Ko-Autor Seyed Mohammad Mostafavi Kashani von der Universität Siegen.

In etwas mehr als vier Stunden wuchsen die Drähte auf eine Länge von rund 4000 Nanometern heran. Ein Nanometer (nm) ist ein millionstel Millimeter. Dabei wurden die Drähte allerdings nicht nur länger, sondern auch dicker: Ihr Durchmesser stieg von anfangs rund 20 nm auf bis zu 140 nm an der Spitze des Drahtes, womit sie immer noch rund 500 Mal dünner sind als ein menschliches Haar.

„Spannenderweise zeigten die elektronenmikroskopischen Abbildungen eine etwas andere Form der Nanodrähte“, sagt Ko-Autor Thomas Keller vom DESY NanoLab. Zwar waren die Drähte – in Übereinstimmung mit den Röntgendaten – oben dicker als unten an der Kontaktfläche zum Substrat. Allerdings war der im Elektronenmikroskop gemessene Durchmesser im unteren Teil des Drahts größer als mittels Röntgenstrahlung beobachtet.

„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“, erklärt Schroth. „Dieses sogenannte Seitenwand-Wachstum lässt die Drähte zusätzlich in die Breite wachsen.“ Unabhängig vom VLS-Prozess lagert sich aufgedampftes Material vor allem im unteren Teil des Nanodrahts direkt an den Seitenwänden an. Aus dem Vergleich der Röntgenmessung zu einem frühen Zeitpunkt des Wachstums mit der elektronenmikroskopischen Messung am Ende des Wachstums lässt sich dieser zusätzliche Beitrag bestimmen.

Außerdem werden im Laufe des Wachstumsprozesses die Galliumtröpfchen durch das fortwährende Aufdampfen von weiterem Gallium kontinuierlich größer. Damit verändert sich aber auch deren Form, welche die Forscher mit Hilfe von Wachstumsmodellen ableiten konnten. 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. Während die feinen Drähte zunächst in einer hexagonalen, sogenannten Wurtzit-Struktur kristallisierten, änderte sich dieses Verhalten nach einiger Zeit, und die Drähte wuchsen in einer kubischen Zinkblende-Struktur weiter. Diese Änderung ist für Anwendungen wichtig, da die Struktur und die Form der Nanodrähte große Auswirkungen auf die Materialeigenschaften haben.

Mit diesen detaillierten Erkenntnissen lässt sich das Wachstum nicht nur besser verstehen, sie bieten auch Ansätze, zukünftig Nanodrähte mit speziellen Eigenschaften für bestimmte Anwendungen maßzuschneidern – etwa um den Wirkungsgrad einer Solarzelle oder eines Lasers zu erhöhen.

Fakten, Hintergründe, Dossiers
Mehr über Deutsches Elektronen-Synchroton DESY
  • News

    Flüssigkristall-Moleküle formen Nano-Ringe

    An DESYs Röntgenquelle PETRA III haben Forscher eine verblüffende Form der Selbstorganisation in Flüssigkristallen untersucht: Werden die Flüssigkristalle in zylindrische Nanoporen gefüllt und erhitzt, bilden ihre Moleküle beim Abkühlen geordnete Ringe – ein Zustand, der in dem Material son ... mehr

    Superradiante Atomkerne

    Mit einem ausgeklügelten Experiment hat ein internationales Forscherteam mit Beteiligung von DESY eine mehr als 50 Jahre alte Vorhersage der Quantenmechanik bestätigt. Die Wissenschaftler um Aleksandr Chumakov von der Europäischen Synchrotronstrahlungsquelle ESRF im französischen Grenoble k ... mehr

    Streiflicht für rasante Abläufe

    Ein internationales Forscherteam hat am Röntgenlaser FLASH eine neue Untersuchungsmethode entwickelt, die es erlaubt, den Verlauf von Prozessen mit einem einzelnen ultrakurzen FLASH-Lichtblitz zu verfolgen. Die Methode, die „X-ray Streaking“ genannt wird, erlaubt erstmals die kontinuierlich ... mehr

  • Videos

    DESYs Röntgenlaser FLASH - High-Speed-Kamera für den Nanokosmos

    Wie arbeiten die Moleküle des Lebens? Wie funktionieren die Werkstoffe der Zukunft? Wie können wir effizienter Energie gewinnen und Ressourcen schonen? Fragen and FLASH, die High-Speed-Kamera für den Nanokosmos. mehr

    Teilchenzoo: Und nun?

    Mit dem extrem erfolgreichen Standardmodell der Teilchenphysik verstehen wir bislang nur rund 5% des Universums. Wie geht es weiter - Stringtheorie, Supersymmetrie, DESY-Physiker Georg Weiglein und Gudrid Moortgat-Pick diskutieren die großen offenen Fragen der Teilchenphysik. mehr

    Teilchenzoo: Photonen, Gluonen und andere Kräfteteilchen

    "Die vier Kräfte" - das ist kein Gericht aus dem Chinarestaurant, sondern das sind die vier Grundkräfte der Natur: die starke, die schwache, die elektromagnetische und die Schwerkraft. DESY-Doktorand Marc Wenskat erklärt ihre Wechselwirkungsteilchen und zeigt dabei, dass ein kleiner Magnet ... mehr

  • Forschungsinstitute

    Deutsches Elektronen-Synchroton DESY

    DESY ist eines der weltweit führenden Beschleunigerzentren und gehört zur Helmholtz-Gemeinschaft. Bei DESY werden große Teilchenbeschleuniger entwickelt, gebaut und betrieben, um damit die Struktur der Materie zu erforschen. Das breit gefächerte, international ausgerichtete Forschungsspektr ... mehr

Mehr über KIT
  • News

    Revolutionäres 3-D-Laserdruckverfahren

    Noch schärfere Fotos mit dem Smartphone machen, Nerven mit einem Klemmverschluss elektrisch stimulieren oder im optimalen Lebensraum Zellen züchten, all das ermöglicht ein revolutionäres superpräzises 3-D-Druckverfahren, das Forscher am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entwickelt h ... mehr

    Power-to-Gas mit hohem Wirkungsgrad

    Das Erdgasnetz kann als Puffer für den wetterabhängigen Strom aus Wind und Sonne dienen. Notwendig dazu sind wirtschaftliche Prozesse die Strom nutzen, um chemische Energieträger zu erzeugen. Einen wichtigen Schritt hat das vom KIT (Karlsruher Institut für Technologie) koordinierte EU-Proje ... mehr

    Ein „intelligentes Fieberthermometer“ für Mikrochips

    Die Miniaturisierung von Computerchips eröffnet ein weiteres Einfallstor für Hackerangriffe: Mikrochips sind hochsensibel und könnten durch gezielte Überlastung physisch zerstört werden. Einem Forscherteam am Karlsruher Institut für Technologie ist jetzt der Nachweis gelungen, dass die Über ... mehr

  • Videos

    Bioliq: Energiegewinnung aus Reststoffen – komplette Prozesskette läuft

    Die bioliq®-Pilotanlage am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) läuft erfolgreich über die gesamte Prozesskette. Alle Stufen des Verfahrens sind nun miteinander verbunden: Schnellpyrolyse, Hochdruck-Flugstromvergasung, Heißgasreinigung und Synthese. Durch bioliq® wird Restbiomasse in u ... mehr

    Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien erhöhen

    Lithium-Batterien sollten bei Transport, Montage und im Betrieb wirklich sicher sein. KIT-Wissenschaftler erklären, welche Faktoren dazu beitragen, die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien zu erhöhen. mehr

    Kleben wie ein Gecko: selbstreinigend und haftsicher

    Geckos haben Klebestreifen eines voraus: Selbst nach wiederholtem Kontakt mit Schmutz und Staub kleben ihre Füße noch auf glatten Flächen einwandfrei. Forscher des KIT und der Carnegie Mellon Universität in Pittsburgh haben nun den ersten Klebstreifen entwickelt, der nicht nur genauso hafts ... mehr

  • Forschungsinstitute

    Institut für Funktionelle Grenzflächen (IFG) am Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

    Forschungsgegenstand des Instituts für Funktionelle Grenzflächen (IFG) ist das Studium molekularer Interaktionen an fest/gas und fest/flüssig Grenzflächen. Aus der Untersuchung von Grundlagenprozessen auf der Nano-Ebene gewonnene Erkenntnisse werden konsequent auf die Makro-Ebene technische ... mehr

    Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

    Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist eine Körperschaft des öffentlichen Rechts und staatliche Einrichtung des Landes Baden-Württemberg. Es nimmt sowohl die Mission einer Universität als auch die Mission eines nationalen Forschungszentrums in der Helmholtz-Gemeinschaft wahr. Das ... mehr

  • q&more Artikel

    Biochemie in der Mikrowelle

    Die Entwicklung neuer Pharmazeutika beruht auf dem zunehmenden Verständnis intrazellulärer Vorgänge. Insbesondere durch die Erforschung von Ligand-Rezeptor-Wechselwirkungen können Wirkstoffe ­besser angepasst werden. Um Medikamente an ihren Wirkungsort ­zu bringen, werden sog. „Carrier“-Mol ... mehr

  • Autoren

    Prof. Dr. Stefan Bräse

    Stefan Bräse, geb. 1967, studierte Chemie in Göttingen und promovierte dort 1995 an der Universität. Nach Postdoktoraten in Uppsala/S und La Jolla/USA begann er an der RWTH ­Aachen mit seinen eigenständigen Arbeiten (Habilitation in organischer Chemie 2001) und wechselte 2001 als Professor ... mehr

    Dr. Sidonie Vollrath

    Sidonie Vollrath, geb. 1984, studierte Chemie in Karlsruhe und promovierte 2012 am KIT in der Gruppe von Prof. S. Bräse. ­Während des Studiums und der Promotion ­absolvierte sie Forschungsaufenthalte an der University of Wisconsin in Madison bei Prof. H. Blackwell sowie an der New York Univ ... mehr

Ihr Bowser ist nicht aktuell. Microsoft Internet Explorer 6.0 unterstützt einige Funktionen auf Chemie.DE nicht.