Forschungsprojekt vom KIT und DESY Nanodrähten beim Wachsen zusehen

Nadel-Wald: Nanodrähte unter dem Rasterelektronenmikroskop des DESY NanoLabs
Nadel-Wald: Nanodrähte unter dem Rasterelektronenmikroskop des DESY NanoLabs

Galliumdrähte wachsen zu lassen, ist ein weit verbreiteter Prozess, auch wenn man nicht genau weiß, was dabei passiert. Doch der Schleier lüftet sich.

Galliumarsenid (GaAs) ist ein breit verwendeter Halbleiterwerkstoff, der beispielsweise in Infrarotfernbedienungen, in der Hochfrequenztechnik für Handys und für die Umwandlung von elektrischen Signalen in Licht für Glasfaserkabel 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. Dieser Prozess ist zwar etabliert aber kaum steuerbar, denn es fehlen noch Erkenntnisse zum Wachstumsablauf.

Forscher vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) gelang es nun, mit Hilfe der Forschungslichtquelle PETRA III des Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY), den Wachstumsprozess mitzuverfolgen.

Röntgenaufnahmen im Minutentakt

Für ihre Untersuchungen verwendete die Gruppe eine mobile, speziell für Röntgenuntersuchungen entwickelte Versuchskammer des Instituts für Photonenforschung und Synchrotronstrahlung (IPS) am KIT. Im Minutentakt machten die Forscher Röntgenaufnahmen, mit denen sie gleichzeitig die Struktur und den Durchmesser der wachsenden Nanodrähte bestimmten. Ergänzend dazu vermaßen sie die fertiggestellten Nanodrähte mit einem Elektronenmikroskop.

Die Erkenntnisse: Für das Wachstum der Nanodrähte ist nicht nur der VLS-Prozess verantwortlich, sondern auch eine zweite Komponente, die erstmals direkt beobachtet und quantifiziert werden konnte, dabei lagert sich aufgedampftes Material vor allem im unteren Teil des Nanodrahts direkt an den Seitenwänden an. Das sogenannte Seitenwand-Wachstum lässt die Drähte zusätzlich in die Breite wachsen.

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. 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.

Die Forscher um Philipp Schroth von der Universität Siegen und dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) stellen ihre Arbeit im Fachblatt »Nano Letters« vor.