Germanium in Wabenstruktur

Über den schwammartigen Aufbau von Germanium lassen sich die Eigenschaften des Halbleiters gezielt verändern.

East Lansing/Los Angeles (USA) - Verändert man bei Halbleitern wie Silizium und Germanium die Größe der Kristalle oder amorphen Strukturen, so verändern sich auch die physikalische Eigenschaften. Über diesen Weg lassen sich Halbleitermaterialien gezielt an spezielle Anwendungen in Solarzellen, mikroskopischen Lichtquellen oder hoch empfindlichen Sensoren anpassen. Eine weitere Möglichkeit, die physikalischen Eigenschaften von Halbleitern zu verändern, sehen Physiker in der Erzeugung von porösen, schwammartigen Strukturen. Dies konnte in der Vergangenheit bereits bei Silizium beobachtet werden. Jetzt gelang es erstmals, auch Germanium in solchen löchrigen Wabenstrukturen anzuordnen. Zwei amerikanischen Arbeitsgruppen präsentieren ihre Ergebnisse zeitgleich in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift Nature.

„Wegen der kleinen Dimensionen, wegen des großen Oberflächenanteils und wegen der flexiblen Chemie dieser Materialien können wir die optischen Eigenschaften in diesen nanoporösen Materialien tunen“, schreiben Dong Sun und seine Kollegen von der University of California in Los Angeles. So konnten sie die elektronische Bandlücke des Halbleiters Germanium, die im Festkörper bei 0,66 Elektronenvolt liegt, auf Werte um 1,4 Elektronenvolt verändern. Über die größere Oberfläche der durchlöcherten Wabenstruktur sind auch verbesserte chemische Eigenschaften beispielsweise für effizientere Katalysatoren denkbar. Vergleichbare Veränderungen der elektronischen und geometrischen Struktur von Germanium beobachteten auch Gerasimos Armatas und Mercouri Kanatzidis von der Michigan State University in East Lansing. Doch beide Forschergruppen griffen auf unterschiedliche Syntheseverfahren für diesen so genannten mesoskopischen Aufbau des Halbleiters zurück.

Die Materialwissenschaftler aus Kalifornien gingen von einer Verbindung aus Kalium und Germanium aus. In dieser ballen sich je neun Germanium-Atome zu einem Cluster zusammen. Diese wiederum reihen sich zu einer ganzen Kette aus Ge ₉-Clustern auf. Für eine weitere Vernetzung zu den gewünschten Wabenstrukturen griffen die Forscher auf eine Art Seifenlösung aus Cetyltriethylammoniumbromid (CTEAB), mit der sie die Oberflächen der Germanium-Ketten benetzten. Hydrophobe und hydrophile Abschnitte wechselten sich in dieser Lösung ab. Dadurch konnten die Germanium-Ketten sich nur an bestimmten Punkten miteinander verknüpfen und bildeten eine periodische, hexagonale Wabenstruktur. Über die Aufnahmen mit einem Elektronenmikroskop erkannten die Forscher, dass die Hohlräume in dem Material gerade mal von etwa einen Nanometer dünnen Wänden getrennt wurden. Und nur ein Gramm dieses Werkstoffes weist eine Oberfläche von bis zu 500 Quadratmetern auf.

Die Forschergruppe in Michigan hingegen synthetisierte eine kubische Wabenstruktur aus Germanium. Aus einer Magnesiumgermanid-Lösung erhielten sie Ge ⁴⁺-Anionen. Dazu fügten sie Germaniumtetrachlorid (GeCl ₄). Damit sich die Anionen ebenfalls zu einer periodisch aufgebauten Struktur zusammenlagern, nutzten sie ebenfalls die anziehenden und abstoßenden Effekte einer Seifenlösung (N-Eicosan-N-Methyl-N,N-dis(2-Hydroxyethyl)ammoniumbromid, EMBHEAB). In einem Selbstordnungsprozess verbanden sich die Germanium-Ionen nach und nach zu der kubischen Wabenstruktur.

Bis zu diesen beiden Versuchen konnte Germanium nur über aufwändige Ätz- oder Ablagerungsprozesse aus der Dampfphase zu porösen Strukturen angeordnet werden. „Doch diese Arbeiten werden ohne Zweifel neue mesoporöse Halbleitersysteme nach sich ziehen“, beurteilt Andreas Stein von der University of Minnesota in Minneapolis diese Ergebnisse. Das habe große Relevanz für Anwendungen bei Sensoren und in der Kommunikationstechnik. Man kann davon ausgehen, dass beide Synthese-Verfahren weiter optimiert werden, um den Aufbau der porösen Strukturen und damit die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Germanium noch genauer kontrollieren zu können.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichungen:
  Gerasimos S. Armatas & Mercouri G. Kanatzidis, Mesostructured germanium with cubic pore symmetry, Nature 441, 1122 (2006).
  http://dx.doi.org/10.1038/nature04833
  Dong Sun et al., Hexagonal nanoporous germanium through surfactant-driven self-assembly of Zintl clusters, Nature 441, 1126 (2006).
  http://dx.doi.org/10.1038/nature04891
  Andreas Stein, Germanium takes holey orders, Nature 441, 1055 (2006).
  http://dx.doi.org/10.1038/4411055a   
• University of California, Los Angeles: 
  http://www.ucla.edu   
• Department of Chemistry & Biochemistry: 
  http://www.chem.ucla.edu   
• Michigan State University in East Lansing: 
  http://www.msu.edu   
• Department of Chemistry:
  http://www.chemistry.msu.edu

Weitere Literatur:

• L. T. Canham, Appl. Phys. Lett. 57, 1046 (1990).   
• H. C. Choi & J. M. Buriak, Chem. Commun. 1669 (2000).   
• J. Shieh et al., Adv. Mater. 16, 1121 (2004).   
• C. T. Kresge et al., Nature 359, 710 (1992).   
• S. C. Sevov, in: Intermetallic Compounds Vol. 3 (Hrsg.: J. H. Westbrook & R. L. Fleischer) 113 (Wiley, Hoboken, NJ, 2002).