Selbstorganisation von Nano-Strukturen

Nano-Dünen mit dem Ionenstrahl

Viele Halbleiter-Elemente der modernen Technik – von integrierten Schaltkreisen über Solarzellen bis hin zu LED-Leuchten – basieren auf winzigen Nano-Strukturen. Die feinen Muster werden bisher meist aufwändig erzeugt.

Mit dem Werkzeug des Ionenstrahls gelingen am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf selbstorganisierte Muster und Strukturen im Nano-Maßstab. (Schema: SIMIT, Chines. Akademie der Wiss.)

Würden diese sich selbst organisieren, könnte das die Herstellung von Halbleiter-Elementen deutlich beschleunigen und so auch deren Kosten senken. Dr. Stefan Facsko vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) und Dr. Xin Ou von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften zeigen jetzt im Fachmagazin „Nanoscale“, wie die Selbstorganisation von Nano-Strukturen mit dem Ionenstrahl funktioniert.

Für ihre verblüffende Methode verwenden die Forscher Ionenstrahlen, das sind schnelle, elektrisch geladene Atome. Sie richten einen breiten Strahl von Edelgas-Ionen auf eine Scheibe mit dem Halbleiter-Material Galliumarsenid, das zum Beispiel für die Produktion von Fotozellen oder Leuchtdioden verwendet wird. „Man könnte den Ionen-Beschuss mit einem Sandstrahlgebläse vergleichen. Das heißt, die Ionen fräsen die Oberfläche des Ziels ab. Dort entstehen dann wie von selbst die gewünschten Nano-Strukturen“, erläutert Dr. Facsko.

Die fein ziselierten und regelmäßigen Strukturen erinnern an Sanddünen, also an vom Wind geschaffene, natürliche Strukturen. Das Ganze passiert allerdings in einer Nano-Welt mit einem Abstand von gerade einmal 50 nm zwischen zwei Dünen – das Kopfhaar eines Menschen ist 2000-mal dicker.

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Ionenbeschuss unter Temperatur

Bei normaler Zimmertemperatur zerstört der Ionenstrahl allerdings die Kristallstruktur des Galliumarsenids und damit seine Halbleiter-Eigenschaften. Deshalb nutzt die Gruppe um Dr. Facsko im Ionenstrahlzentrum des HZDR die Möglichkeit, die Proben während des Ionenbeschusses zu heizen. Bei rund 400 °C heilen die zerstörten Strukturen rasch wieder aus.

Ein weiterer Effekt sorgt nun dafür, dass Nano-Dünen auf der Halbleiter-Oberfläche entstehen. Die aufprallenden Ionen verschieben nicht nur die getroffenen Atome, sondern schlagen auch einzelne Atome ganz aus dem Kristall heraus. Da das flüchtige Arsen nicht an der Oberfläche gebunden bleibt, besteht die Oberfläche bald nur noch aus Gallium-Atomen. Um die fehlenden Bindungen zu den Arsen-Atomen zu kompensieren, bilden sich Paare aus zwei Gallium-Atomen, die sich in langen Reihen anordnen. Schlägt der Ionenstrahl gleich daneben weitere Atome heraus, können die Gallium-Paare über die entstandene Stufe nicht hinunter rutschen, weil die Temperaturen dazu zu niedrig sind. So entstehen aus den langen Reihen von Gallium-Paaren nach einiger Zeit winzige Nano-Dünen, bei denen etliche lange Paar-Linien nebeneinander liegen.

Viele Experimente bei unterschiedlichen Temperaturen und umfangreiche Berechnungen waren nötig, um einerseits den kristallinen Zustand des Halbleiter-Materials zu erhalten und andererseits wohl-definierte Strukturen im Nano-Maßstab zu erzeugen. „Die von uns entwickelte Methode der inversen Epitaxie funktioniert für unterschiedliche Materialien, doch zunächst nur in der Grundlagenforschung. Da wir aber besonders niederenergetische Ionen verwenden, die einfach herzustellen sind, hoffen wir, dass wir einen Weg für die industrielle Umsetzung aufzeigen können. Die Industrie muss ähnliche Strukturen heute noch viel aufwändiger fabrizieren“, so Dr. Facsko vom HZDR.

Publikation:
X. Ou, K.-H. Heinig, R.Hübner, J. Grenzer, X. Wang, M. Helm, J. Fassbender, S. Facsko: „Faceted nanostructure arrays with extreme regularity by self-assembly of vacancies”, in Nanoscale, Online-Publikation am 25.08.2015 (DOI-Link: 10.1039/C5NR04297F).
Weitere Informationen:
Dr. Stefan Facsko
Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung am HZDR
E-Mail: s.facsko@hzdr.de

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