Polnisches Institut für Kernphysik SiC-Kristalldefekte modellieren

Kristallmodell von Siliziumkarbid mit Stufenversetzungen an rot markierten Stellen. Eine einzige kristallografische Ebene ist unten dargestellt. Die Stellen, an denen elektrische Ladungen in benachbarte Schichten gelangen können, sind gelb markiert.
Kristallmodell von Siliziumkarbid mit Stufenversetzungen an rot markierten Stellen. Eine einzige kristallografische Ebene ist unten dargestellt. Die Stellen, an denen elektrische Ladungen in benachbarte Schichten gelangen können, sind gelb markiert.

Kristalldefekte verändern die Eigenschaften des Gesamtmaterials und begrenzen damit dessen Anwendungsbereich. Am Beispiel von Siliziumkarbid konnten polnische Physiker zeigen, dass sich auch rechenintensive Defekte mithilfe eines kompakten Modells atomgenau beschreiben lassen.

Lange haben theoretische Physiker versucht beim Modellieren von Kristallen real auftretende Defekte einzubeziehen und deren Einfluss auf die physikalischen Eigenschaften von Werkstoffen vorherzusagen. Ausgehend von den Ergebnissen verschiedener Experimente konnten die Modelle die Veränderung grundlegender Materialeigenschaften zwar beschreiben, aber nicht die tatsächlichen Ursachen und Auswirkungen der auftretenden Phänomene erklären.

Nun haben Physiker am Institut für Kernphysik der Polnischen Akademie der Wissenschaften (IFJ PAN) ein neues Kristallmodell für Siliziumkarbid (SiC) erarbeitet. Damit konnten sie zeigen, dass sich nun Kristalle ab initio mit so komplexen Defekten wie Stufenversetzungen untersuchen und ihre Eigenschaften durch Prozesse im atomaren Maßstab erklären lassen. Dabei arbeiteten die Physiker des IFJ PAN mit dem Institut für Grundlagenforschung und dem Institut für Hochdruckphysik der Polnischen Akademie der Wissenschaften zusammen.

»Wir haben versucht, die Mechanismen zu finden, die auf atomarer Ebene dafür verantwortlich sind, dass die Durchbruchsspannung in Siliziumkarbidkristallen sinkt. Durch unsere Ab-Initio-Berechnungen erhalten wir ein qualitatives Verständnis des Problems und können dazu beitragen, die Details dieses Phänomens zu erklären«, glaubt Dr. Jan Łażewski, Professor am IFJ PAN.

Zwar sind Ab-Initio-Berechnungen schon länger bekannt – Walter Kohn und John Pople erhielten 1998 dafür dem Chemie-Nobelpreis –, allerdings wurden sie bei linearen Kristallfehlersimulationen erst kürzlich eingeführt. Solche Berechnungen beruhen auf quantenmechanischen Gleichungen, die nur durch Kenntnisse über die Atomstruktur und die Symmetrie der Kristalle gestützt werden. Unmittelbaren Informationen aus Experimenten sind für solche Modelle nicht nötig. Dies bedeutet, dass sie sich auch für die Analyse von Materialien eignen, die noch nie zuvor untersucht oder gar synthetisiert wurden. Aufgrund der vergleichsweise hohen Komplexität des Phänomens funktionierten Ab-Initio-Berechnungen bisher allenfalls bei punktuellen Defekten, etwas bei Leerstellen (fehlende Atome bzw. Löcher in der Kristallstruktur) sowie bei in den Kristall eingeführten Zuschlagsstoffen.

Für ihre Arbeit nutzten die Forscher Siliziumkarbid. Auf atomarer Ebene bestehen diese Kristalle aus vielen flachen Schichten, die übereinander angeordnet sind. Jede Schicht gleicht einer Wabe, bestehend aus hexagonalen Zellen, in denen sich die Siliziumkarbidmoleküle vertikal in den Ecken befinden. Jeweils zwei benachbarte Schichten können auf drei Arten kombiniert werden. Die mehrschichtigen »Sandwiches« mit unterschiedlichen Layouts bilden so genannte Polytypen, von denen es bei Siliziumkarbid mehr als 250 gibt. Die Gruppe am IFJ PAN verwendete den polymorphen Typ 4H-SiC.

»Beim Modellieren solcher Strukturen ist die Komplexität der Berechnungen immens. Ein Modell aus purem Kristall, der frei von Beimengungen oder Versetzungen ist, zeichnet sich durch eine hohe Symmetrie aus und ist schon nach wenigen Minuten berechnet. Um ein Material mit Versetzung zu berechnen, benötigen selbst Hochleistungsrechner Monate«, betont Dr. Paweł Jochym, Professor am IFJ PAN.

Die Probleme mit Stufenversetzungen ergeben sich daraus, dass sie die Kristallstruktur des Materials stark beeinflussen. Stufenversetzungen entstehen, wenn einzelne Kristallschichten nicht über die gesamte Länge des Kristals gehen. Damit beeinflussen sie die Positionen von Atomen und Molekülen in vielen benachbarten Schichten. Und da sich die Versetzungen über weite Strecken ausbreiten können, umfassen die von ihnen verursachten Störungen in der Praxis den ganzen Kristall.

Die interessantesten Phänomene vollziehen sich im Versetzungskern, d.h. in der Nähe der Kante der beschädigten Schicht des Kristallgitters. Um die durch eine einzelne Versetzung verursachten Effekte zu eliminieren und damit die Anzahl der betrachteten Atome deutlich zu reduzieren, nutzten die Forscher einen Kunstgriff: Sie brachten eine zweite Versetzung mit entgegengesetzter Wirkung ein, um die Auswirkung der ersten Versetzung über weitere Wegstrecken hinweg zu kompensieren.

Das Modell des SiC-Kristalls bestand aus etwa 400 Atomen. Die Simulationen zeigten, dass in den Schichten entlang der Kante des Kristallfehlers Kanäle auftreten, deren Ladungsdichte niedriger ist. Sie senken die Potenzialschwelle lokal und bewirken, dass elektrische Ladungen aus dem Valenzband »abfließen«. Darüber hinaus sinkt in dem »verbotenen« Spalt, der im Isolator einen Mangel an elektrischer Leitfähigkeit garantiert, die Isolationsfestigkeit. Es konnte gezeigt werden, dass diese Zustände von Atomen stammen, die sich im Versetzungskern befinden.

»Die Situation lässt sich mit einem Eichhörnchen vergleichen, das eine tiefe, steile Schlucht überqueren möchte, wobei die Abhänge zu steil für das Tier sind. Aber es kann eine Reihe von Bäumen nutzen, die hoch genug sind, um von Wipfel zu Wipfel auf die andere Seite der Schlucht zu gelangen. In dem von uns modellierten Kristall sind die Eichhörnchen die elektrischen Ladungen, das Valenzband ist die eine Kante der Schlucht, das Leitungsband die andere Kante. Dann sind die Bäume die oben genannten Zustände, die den Atomen des Versetzungskerns zugeordnet sind", erläutert Prof. Łażewski.

Da die Mechanismen, die die Schwelle der Energiebarriere senken, auf atomarer Ebene bekannt sind, gibt es nun einen großen Freiraum für experimentelle Untersuchungen. Der vorgeschlagene Mechanismus muss allerdings noch verifiziert werden, um ihn nutzen zu können und den negativen Einfluss der getesteten Fehler zu begrenzen. Erfreulicherweise gibt es dafür bereits technische Möglichkeiten.

»Die Zukunft wird zeigen, ob unsere Überlegungen in ihrer Gesamtheit tragfähig sind. Wir sind jedoch zuversichtlich über den Erfolg unseres Modells und den vorgestellten Ansatz zur Simulation von Stufenversetzungen. Wir wissen bereits, dass sich das Ab-Initio-Modell in der Gegenüberstellung mit einigen experimentellen Daten bereits bewährt hat«, so Prof. Jochym abschließend.

Wissenschaftliche Arbeiten

J. Łażewski, et al., Destructive influence of the edge dislocation on 4H-SiC properties – DFT study

J. Łażewski, et al., DFT modelling of the edge dislocation in 4H-SiC, Journal of Materials Science (2019) 54:10737-10745, DOI: 10.1007/s10853-019-03630-5