07.03.2018 - Technische Universität Wien

Nanostrukturen aus bisher unmöglichem Material

Wie kombiniert man verschiedene Elemente in einem Kristall? An der TU Wien wurde nun eine Methode entwickelt, bisher unerreichbar hohe Anteile von Fremdatomen in Kristalle einzubauen.

Wer einen Kuchen bäckt, kann die Zutaten in fast beliebigem Mengenverhältnis zusammenfügen – sie werden sich immer mischen lassen. In der Materialchemie ist die Sache komplizierter.

Oft möchte man die physikalischen Eigenschaften eines Materials verändern, indem man einen gewissen Anteil eines zusätzlichen Elements hinzufügt. Allerdings gelingt es nicht immer, die gewünschte Menge in die Kristallstruktur des Materials einzubauen. An der TU Wien entwickelte man nun eine neue Methode, mit der bisher nicht erreichbare Mischungsverhältnisse zwischen Germanium und gewünschten Fremdatomen erreicht werden können. So entstehen neue Materialien mit deutlich veränderten Eigenschaften.

Mehr Zinn oder Gallium in den Germanium-Kristall

„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 Sven 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.“

Sven Barths Team entwickelte daher einen neuen Zugang, der ein besonders schnelles Kristallwachstum mit sehr niedrigen Prozesstemperaturen verbindet. 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 bei bloß 140–230 °C. „Dadurch sind die eingebauten Atome von Anfang an weniger beweglich, die Diffusionsprozesse sind langsam, die meisten Atome bleiben dort, wo man sie haben will“, erklärt Barth dessen Forschung in diesem Bereich vom FWF finanziert wird.

Mit dieser Methode gelang es bis zu 28 % Zinn bzw. 3,5 % Gallium in Germanium einzubauen. Das ist erheblich mehr als bisher durch gewöhnliche thermodynamische Kombination dieser Materialien möglich war – nämlich das 30- bis 50-fache.

Laser, LEDs, Elektronik-Bauteile

Für die Mikroelektronik eröffnet das neue Möglichkeiten: „Germanium ist einerseits gut mit bestehender Silizium-Technologie kombinierbar, und der Zusatz von Zinn bzw. Gallium in solch hohen Konzentrationen bietet andererseits hoch interessante opto-elektronische Anwendungsmöglichkeiten“, sagt Sven Barth. Die 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.

Mehr über TU Wien
  • News

    Atome beim Fotoshooting

    Als es vor etwa 40 Jahren erstmals gelang, ein einzelnes gefangenes Atom zu fotografieren, war dies ein Meilenstein der Quantenforschung. Dieser Durchbruch wurde damals möglich, weil das Atom mit elektrischen Feldern im luftleeren Raum festgehalten wurde – fern von Oberflächen, deren Streul ... mehr

    Wie kann man eine atomare Materialschicht perforieren und die darunterliegende unversehrt lassen?

    Niemand kann eine Pistolenkugel so durch eine Banane schießen, dass die Schale durchlöchert wird, die Banane aber heil bleibt. Auf der Ebene einzelner atomarer Schichten ist ein solches Kunststück nun allerdings gelungen – an der TU Wien wurde eine Nano-Strukturierungs-Methode entwickelt, m ... mehr

    Wie man Gold beibringt, rechts und links zu unterscheiden

    Winzig kleine Goldpartikel, die nur aus wenigen Atomen bestehen, kann man als Katalysatoren für wichtige chemische Reaktionen verwenden. Noelia Barrabés vom Institut für Materialchemie der TU Wien forscht seit Jahren an neuen Methoden, solche winzigen Goldcluster anzupassen und genau zu kon ... mehr

  • Videos

    Epoxy Resin

    A flash of ultraviolet light sets off a chain reaction which hardens the whole object. mehr

    Noreia

    Zeitraffervideo, das die Installation der Beschichtungsmaschine Noreia an der TU Wien zeigt. mehr

    Shaping Drops: Control over Stiction and Wetting

    Some surfaces are wetted by water, others are water-repellent. TU Wien (Vienna), KU Leuven and the University of Zürich have discovered a robust surface whose adhesive and wetting properties can be switched using electricity. This remarkable result is featured on the cover of Nature magazin ... mehr

  • q&more Artikel

    Das Herz in der Petrischale

    Regenerative Medizin stellt eine der großen Zukunftshoffnungen und Entwicklungsperspektiven in der medizinischen Forschung des 21. Jahrhunderts dar. Revolu­tionäre Resultate konnten bereits durch gentechnische Eingriffe erzielt werden, ­wobei allerdings ethische und regulatorische Aspekte e ... mehr

  • Autoren

    Dr. Kurt Brunner

    Kurt Brunner, geb. 1973, studierte Technische Chemie an der TU Wien, wo er 2003 am Institut für Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und Technische Biowissenschaften promovierte. Während seiner Dissertation arbeitete er im Bereich der Molekularbiologie der Pilze mit Forschungsaufenthalten an de ... mehr

    Prof. Dr. Marko D. Mihovilovic

    Marko D. Mihovilovic, Jg. 1970, studierte von 1988–1993 technische Chemie an der TU Wien und promovierte dort 1996 im Bereich Organische Synthesechemie. Anschließend war er für Postdoc-Aufenthalte als Erwin-Schrödinger-Stipendiat an der University of New Brunswick, Kanada sowie an der Unive ... mehr