Durchbruch bei Zinkoxid-Szintillatoren

Aus den weltweit hellsten und schnellsten Szintillatoren aus ZnO lässt sich eine ganz neue Generation von Raster-Elektronenmikroskopen herstellen.

Die weltweit hellsten und schnellsten Szintillatoren aus ZnO haben Halbleiter-Forscher um Marius Grundmann von der Universität Leipzig zusammen mit El-Mul Technologies in Yavne, Israel, entwickelt. Mit den neuen Zinkoxid-Szintillatoren kann eine ganz neue Generation von Raster-Elektronenmikroskopen hergestellt werden.

Sie reagieren auf das Eintreffen schneller Elektronen mit der Aussendung von Licht. Dieses wird dann weiterverarbeitet und gibt über seine Intensität eine Information über die Zahl der auftreffenden Elektronen. Die Arbeiten erfolgen im Rahmen des Profilbildenden Forschungsbereich 1 der Universität Leipzig „Von Molekülen und Nanoobjekten zu multifunktionalen Materialien und Prozessen“.

Abb.: Leuchten eines ZnO Szintillators (10 mm x 10 mm Plättchen) bei Beschuss mit Elektronen (Quelle: Uni Leipzig, Grundmann)

Da es sich bei ZnO um einen Halbleiter handelt, der eine so genannte direkte Bandstruktur besitzt, wird das Licht sehr schnell, innerhalb weniger als einer Milliardstel Sekunde nach Eintreffen des Elektrons ausgesendet und erlaubt auf diese Weise eine schnelle Antwort. „Dies ist wichtig für eine Generation von Raster-Elektronenmikroskopen, die mit wesentlich schnelleren Rastergeschwindigkeiten arbeiten und so höhere Anforderungen an die Zeitauflösung des Elektronendetektors und damit an den Szintillators stellen“, erklärt Marius Grundmann, Direktor des Instituts für Experimentelle Physik II und Leiter der Abteilung Halbleiterphysik.

Zinkoxid haben die Forscher wegen seiner guten Quantenausbeute und damit Lichtintensität als Materialsystem gewählt. In einer der Leipziger Oxid-Epitaxieanlagen wurde das Zinkoxid mit dem ultravioletten Licht eines gepulsten Hochleistungslasers verdampft und als dünner Film mit einer Dicke von etwa 1 Mikrometer, etwa der hundertstel Dicke eines Haares, auf Saphir (Aluminiumoxid) in einem Vakuumverfahren abgeschieden. „Die Bedingungen während des Wachstums wurden so optimiert, dass die Schichten eine möglichst große Lichtausbeute haben“, sagt Michael Lorenz, der die Oxid-Epitaxie leitet. Die Wissenschaftler haben damit zu kämpfen, dass Zinkoxid zwar Licht sehr effizient aussendet, aber dieses auch genauso so effizient wieder absorbiert. Von außen ist praktisch nur Licht zu sehen, was aus einer 0,1 Mikrometer dünnen „Haut“ der Schicht emittiert wurde. Hierzu wurde unter anderem auch die für die Lichtauskopplung wichtige Oberflächenrauhigkeit gezielt eingestellt.

Es gelang den Wissenschaftlern im Rahmen der Diplomarbeit von Robert Johne die spektralen Eigenschaften des emittierten Lichtes und den beschriebenen Reabsorptionseffekt, sowie seine Abhängigkeit von Schicht- und Anregungsparametern erstmalig genau und in hervorragender Übereinstimmung mit dem Experiment zu modellieren. Die Ausbeute und Zeitantwort des Szintillators wurden in Israel von El-Mul Technologies systematisch untersucht. Chegnui Bekeny, Doktorand an der Universität Bremen, der zuvor in der Abteilung Halbleiterphysik in Leipzig im „International Physics Studies Program“ seinen Master (M.Sc.) abgeschlossen hatte, hat weitere, detaillierte zeitaufgelöste, spektroskopische Untersuchungen durchgeführt.

Die hergestellten Zinkoxid-Schichten sind zudem über eine große Fläche (es wurde aus Kompatibilität mit dem Design der Detekto-ren von El-Mul ein Wafer mit 32,7 mm Durchmesser verwendet) sehr homogen, d. h. die Lichtausbeute variiert nur sehr wenig mit dem Auftreffpunkt des Elektrons. Hierzu bilden die Leipziger Forscher diesen Prozess in einem Elektronenmikroskop mit Hilfe der Kathodolumineszenz direkt ab. Die Homogenität ist einen Faktor 100–1000 besser als bei herkömmlichen Szintillatoren, die auf Pulverbasis hergestellt werden, was für das geringe Rauschen des Detektors essentiell ist.

Einige der neuartigen Szintillatoren befinden sich zurzeit im Kundentest. „Wir konnten die Eigenschaften unserer Szintillatoren in kurzer Zeit wesentlich verbessern und haben einen Durchbruch geschafft. Mit weiteren Kniffen erscheint eine weitere Verbesserung um einen Faktor zwei bis drei, möglicherweise mehr, realistisch“, sagt Marius Grundmann. Ein mit dem Prozess in Verbindung stehendes gemeinsames Patent der Leipziger Forscher mit der israelischen Firma befindet sich in der Prüfungsphase. „Leider konnten wir bisher keine Drittmittel für diese Forschungen einwerben, da die Kombination einer deutschen Universität und einer israelischen Firma bei den Förderinstitutionen wie BMBF, DFG und auch auf israelischer Seite nicht unterstützt wird“, beklagt sich Grundmann.

Quelle: Universität Leipzig

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  M. Lorenz, R. Johne, H.P.D. Schenk, S.I. Borenstain, A. Schön, C. Bekeny, T. Voß, J. Gutowski, T. Nobis, H. Hochmuth, J. Lenzner, M. Grundmann, Self absorption in the room-temperature cathodoluminescence of ZnO scintillator thin films on sapphire, Appl. Phys. Lett. 89, 243510 (2007).
  http://dx.doi.org/10.1063/1.2405392
  http://www.uni-leipzig.de/~grundm/paper_grdm/APL_89_243510_2006.pdf
• AG Marius Grundmann, Halbleiterphysik, Uni Leipzig:
  http://www.uni-leipzig.de/~hlp
• El-Mul Technologies, Ltd.:
  http://www.el-mul.com