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Der heilige Gral der Nanodrahtherstellung

22.02.2019

Jamani Caillet / EPFL

Die Forscher der EPFL haben einen Weg gefunden, die Produktion von Nanodrähten auf Siliziumoberflächen zu kontrollieren und zu standardisieren. Diese Entdeckung könnte es ermöglichen, Nanodrähte auf elektronischen Plattformen zu züchten, wobei mögliche Anwendungen die Integration von Nanolasern in elektronische Chips und eine verbesserte Energieumwandlung in Solarmodulen sind.

Nanodrähte haben das Potenzial, die Technologie um uns herum zu revolutionieren. Mit einem Durchmesser von nur 5-100 Nanometern (ein Nanometer ist ein Millionstel Millimeter) können diese winzigen, nadelförmigen kristallinen Strukturen verändern, wie Strom oder Licht durch sie hindurchgeht.

Sie können Licht emittieren, bündeln und absorbieren und somit den elektronischen Chips optische Funktionalitäten verleihen. Sie könnten es beispielsweise ermöglichen, Laser direkt auf Siliziumchips zu erzeugen und Single-Photon-Emitter für Codierzwecke zu integrieren. Sie könnten sogar in Solarmodulen eingesetzt werden, um die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie zu verbessern.

Bisher war es nicht möglich, den Prozess der Züchtung von Nanodrähten auf Siliziumhalbleitern nachzuahmen - es gab keine Möglichkeit, homogene Nanodrähte an bestimmten Stellen wiederholt herzustellen. Aber Forscher des EPFL-Labors für Halbleitermaterialien, das von Anna Fontcuberta i Morral gemeinsam mit Kollegen vom MIT und dem IOFFE Institute geleitet wird, haben eine Möglichkeit gefunden, Nanodrahtnetzwerke auf eine streng kontrollierte und vollständig reproduzierbare Weise zu züchten. Der Schlüssel dazu war, zu verstehen, was zu Beginn des Wachstums von Nanodrähten passiert, was im Gegensatz zu den derzeit akzeptierten Theorien steht.

"Wir glauben, dass diese Entdeckung es ermöglichen wird, eine Reihe von Nanodrähten auf Siliziumsubstraten realistisch zu integrieren", sagt Fontcuberta i Morral. "Bisher mussten diese Nanodrähte individuell gezüchtet werden, und der Prozess konnte nicht reproduziert werden."

Das richtige Verhältnis finden

Das Standardverfahren zur Herstellung von Nanodrähten besteht darin, winzige Löcher in Siliziummonoxid zu machen und diese mit einem Nanotropfen aus flüssigem Gallium zu füllen. Diese Substanz erstarrt dann, wenn sie mit Arsen in Berührung kommt. Bei diesem Prozess neigt die Substanz jedoch dazu, sich an den Ecken der Nanos zu verhärten, so dass der Winkel, unter dem die Nanodrähte wachsen werden, nicht vorhergesagt werden kann. Es wurde nach einem Weg gesucht, homogene Nanodrähte herzustellen und deren Position zu kontrollieren.

Die Forschung zur Kontrolle des Produktionsprozesses hat sich tendenziell auf den Durchmesser des Lochs konzentriert, aber dieser Ansatz hat sich nicht ausgezahlt. Jetzt haben die EPFL-Forscher gezeigt, dass sie durch die Änderung des Durchmesser-Höhen-Verhältnisses des Lochs perfekt kontrollieren können, wie die Nanodrähte wachsen. Im richtigen Verhältnis verfestigt sich die Substanz in einem Ring um den Rand des Lochs, was verhindert, dass die Nanodrähte in einem nicht senkrechten Winkel wachsen. Und der Prozess der Forscher sollte für alle Arten von Nanodrähten funktionieren.

"Es ist so etwas wie eine Pflanze zu züchten. Sie brauchen Wasser und Sonnenlicht, aber man muss die Mengen richtig einstellen", sagt Fontcuberta i Morral.

Diese neue Produktionstechnik wird ein Segen für die Nanodrahtforschung sein, und weitere Proben sollen in Kürze entwickelt werden.

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