Aufgenommen mittels energiedispersiver Röntgenspektroskopie: Querschnitt durch einen Nanodraht mit Galliumarsenid-Kern, einer Hülle aus Indium-Aluminiumarsenid und einer Deckschicht aus Indium-Gallium-Arsenid. Gallium ist blau, Indium rot, Aluminium cyan eingefärbt.

Bild: Helmholz

Neue Technologie Hülle macht Nanodrähte vielseitiger

05.07.2019

Nanodrähte können LEDs farbenreicher, Solarzellen effizienter oder Rechner schneller machen – vorausgesetzt, die winzigen Halbleiter wandeln elektrische Energie und Licht bei geeigneten Wellenlängen ineinander um. Forschern ist es nun gelungen, Nanodrähte zu fertigen, deren Arbeitswellenlänge sich über einen großen Bereich frei wählen lässt, und zwar einzig über die Struktur der Hülle.

Nanodrähte sind praktisch Alleskönner. Sie sind als kleinste Bausteine für miniaturisierte photonische und elektronische Bauteile der Nanotechnologie einsetzbar. Dazu gehören optische Verschaltungen auf Chips, neuartige Sensoren, LEDs, Solarzellen oder auch Quantentechnologien.

Freistehende Nanodrähte machen neuere Halbleitertechnologien erst kompatibel zu den herkömmlichen Technologien auf Siliziumbasis. Weil die Kontaktfläche zum Siliziumträger sehr klein ist, überwinden sie typische Schwierigkeiten beim Verbinden verschiedenartiger Materialien.

Für ihre mehrjährige Studie züchteten Forscher am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) zunächst Nanodrähte aus dem Halbleitermaterial Galliumarsenid auf Siliziumträgern. Im nächsten Schritt umhüllten sie die hauchdünnen Drähte mit einer weiteren Materialschicht, der sie zusätzlich Indium beimischten. Ihr Ziel: Durch die ungleiche Kristallstruktur der Materialien wollten sie im Drahtkern eine mechanische Verspannung provozieren, welche die elektronischen Eigenschaften von Galliumarsenid verändert.

Auf diese Weise verkleinert sich die Bandlücke des Halbleiters und die Elektronen werden beweglicher. Um diesen Effekt zu verstärken, gaben die Forscher immer mehr Indium in die Hülle oder erhöhten deren Dicke. Das Ergebnis übertraf ihre Erwartungen bei Weitem.

Unerwartete Ergebnisse

„Wir haben einen bekannten Effekt bis ins Extrem getrieben“, sagt Emmanouil Dimakis, Leiter der Studie, zu der Forscher des HZDR, der Technischen Universität Dresden und des DESY in Hamburg beigetragen haben. „Die erreichten sieben Prozent Verspannung sind ein riesiger Wert.“

Bei dieser Verspannung hätte Dimakis erwartet, Störungen in den Halbleitern zu sehen: Erfahrungsgemäß verbiegt sich der Drahtkern oder es entstehen Defekte. Dass es nicht dazu kam, begründen die Forscher mit den besonderen Bedingungen ihrer Experimente.

Erstens züchteten sie besonders dünne Galliumarseniddrähte, etwa fünftausend Mal feiner als ein menschliches Haar. Zweitens gelang es dem Team, die Drahthüllen bei ungewöhnlich niedrigen Temperaturen herzustellen. Dies friert die Oberflächendiffusion der Atome quasi ein und erzwingt das gleichmäßige Wachstum der Hülle um den Kern. Seine Entdeckung bekräftigte das Forscherteam durch mehrere unabhängige Messreihen an Anlagen in Dresden sowie an den Röntgenlichtquellen Petra III in Hamburg und Diamond in England.

Die Ergebnisse motivierten die Forscher zu weiteren Untersuchungen: „Unser Fokus verlagerte sich auf die Frage, was die extrem hohe Verspannung im Kern des Nanodrahts auslöst und wie dies für Anwendungen genutzt werden könnte“, erinnert sich Dimakis. „Galliumarsenid ist als Material seit Jahren bekannt, aber Nanodrähte sind speziell. Auf der Nano-Skala kann ein Material völlig neue Eigenschaften zeigen.“

Mögliche Anwendungen für Glasfasernetze

Die Forscher erkannten, dass sie durch die hohe Verspannung die Bandlücke des Halbleiters Galliumarsenid bis zu so niedrigen Energien verschieben konnten, dass sie sogar für Wellenlängen der Glasfasernetze kompatibel wird. Ein technologischer Meilenstein, denn dieser Spektralbereich ließ sich bislang nur über spezielle, indiumhaltige Legierungen realisieren, die durch ihren Materialmix aber verschiedene technologische Probleme mitbringen.

Nanodrähte lassen sich nur mithilfe hochpräziser Verfahren herstellen. Am HZDR existiert dafür seit vier Jahren eine spezielle Anlage: das Molekularstrahlepitaxie-Labor. Hier wachsen die Nanodrähte selbstorganisiert aus Atomen oder kleinen Molekülen heran, mit denen Siliziumträger im Ultrahochvakuum beschossen werden.

Dimakis war federführend am Aufbau des Labors beteiligt. Einen großen Teil der aktuell veröffentlichten Untersuchungen verantwortete Leila Balaghi im Rahmen ihrer Promotion.

Die Forschungsarbeit ist im Original in der Fachzeitschrift Nature Communications erschienen.

Bildergalerie

  • Dr. Emmanouil Dimakis vom HZDR erforscht, wie sich Nanodrähte in der Industrie nutzen lassen.

    Bild: Detlev Müller, HZDR

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