Luftiger Brechungsindex

Ein neues nanostrukturiertes Material, das sich preiswert und reproduzierbar herstellen lässt, weist ungewöhnliche elektromagnetische Eigenschaften auf.

Die Halbleiterindustrie sucht nach Materialien mit einer möglichst niedrigerer Dielektrizitätskonstanten, die zugleich eine Alternative zum Siliziumdioxid wären und die Leistungen der Chips verbessern könnten. Substanzen mit sehr niedrigem Brechungsindex sind hingegen für die optische Industrie interessant. Mit ihnen könnte man die Eigenschaften von Bragg-Reflektoren verbessern, indem man Schichtfolgen aus Materialien mit möglichst großen Brechungsindexunterschieden einsetzt. Auch in optischen Mikroresonatoren, in photonischen Kristallen und in der Halbleiteroptoelektronik sind solche Materialien sehr erwünscht, deren Brechungsindex dem „luftigen“ Wert n=1 nahe kommt.

Forscher um Clément Sanchez von der Université Pierre et Marie Curie in Paris haben auf einfache Weise ein Material hergestellt, dessen Brechungsindex und Dielektrizitätskonstante ungewöhnlich niedrig sind, nämlich n=1,09 (bei 700 nm) und ε=1,6 (bei 100 kHz). Das Material besteht aus zahllosen hohlkugelförmigen Nanopartikeln aus Magnesiumoxyfluorid und bildet transparente und robuste Schichten. Zum Vergleich: Aus MgF₂ und SiO₂, die schon von sich aus einen niedrigen Brechungsindex aufweisen, hat man mit Lösungen bzw. durch ein Sol-Gel-Verfahren poröse Schichten mit n=1,22 bzw. n=1,23 hergestellt. Den Rekord scheint mit n=1,08 eine Schicht aus SiO₂-Nanoröhrchen zu halten, die allerdings durch ein aufwändiges Elektronenstrahlverfahren gefertigt wurde.

Die französischen Forscher stellten ihre Magnesiumoxyfluorid-Schichten her, indem sie einen Siliziumwafer in eine Lösung aus Magnesiumazetat, Trifluoressigsäure, Äthanol und Wasser getaucht haben. Anschließend wurde die anhaftende Schicht für zehn Minuten auf 450 °C erhitzt. Dabei zerfiel die Trifluoressigsäure in verschiedene gasförmige Bestandteile, während zugleich Nanopartikel aus MgF₂ heranwuchsen. Es bildete sich ein poröses aber festes Netz aus hohlen Nanoteilchen mit Porengrößen von 10 bis 20 nm, wie Untersuchungen mit dem Rasterkraft- und dem Elektronenmikroskop zeigten. Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) ergab, dass die Schichten zu 72 % aus MgF₂ und zu 28 % aus MgO_0,5(OH) bestanden. Dabei waren vermutlich primäre MgF₂-Kristalle von einer ultradünnen Schicht aus amorphem MgO_0,5(OH) umgeben.

Je nach Zusammensetzung der Lösung und der Aufbringgeschwindigkeit ließen sich Schichtdicken von 50 bis 800 nm erreichen, wobei für alle Schichtdicken praktische derselbe niedrige Wert des Brechungsindex n=1,09 gemessen wurde. Die Schichten waren sehr beständig und behielten ihre guten optischen Eigenschaften auch nach einem Jahr unter Laboratmosphäre. Darüber hinaus waren sie temperaturstabil bis 600 °C, der Kristallisationstemperatur von MgO. Wasserdampf griff die Schichten chemisch nicht an. Ihre Oberfläche ließ sich mit konventionellen Lösungsmitteln reinigen und mit wasserabweisenden organischen Substanzen beschichten. Zudem konnten auf ihnen andere Schichten z. B. aus SiO₂ aufwachsen.

Die Forscher haben ihr einfaches, preiswertes und reproduzierbares Verfahren zum Patent angemeldet. Es lässt sich auf Flächen im industriellen Maßstab übertragen und an gängige Produktionsbedingungen anpassen. Die damit hergestellten Schichten könnten in Halbleiterchips und in verschiedenen optischen Komponenten zum Einsatz kommen. Ihre luftigen optischen Eigenschaften könnten dann ganz handfesten Nutzen bringen.

Rainer Scharf

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  David Grosso, Cédric Boissière und Clément Sanchez, Ultralow-dielectric-constant optical thin films built from magnesium oxyfluoride vesicle-like hollow nanoparticles, Nature Materials (Published online: 24.06.2007).
  http://dx.doi.org/10.1038/nmat1950
  http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/suppinfo/nmat1950_S1.html
• Homepage von Clément Sanchez:
  http://www.labos.upmc.fr/lcmcp/pages_perso/clems/Welcome.html
  http://www.labos.upmc.fr/lcmcp/