22.10.2010

Saphirdrähte im Wachstum

Mehrstufiges Wachstum von Aluminiumoxid-Nanodrähten in Echtzeit beobachtet.

Mehrstufiges Wachstum von Aluminiumoxid-Nanodrähten in Echtzeit beobachtet.

Einem internationalen Forscherteam um Christina Scheu von der Ludwigs-Maximilian Universität München ist es gelungen, die Entstehung von Aluminiumoxid-Nanodrähten in atomarer Auflösung in Echtzeit zu beobachten. Dabei stellten die Wissenschaftler fest, dass das selbstkatalytische Wachstum der Aluminiumoxid-Drähte in einem zweistufigen Prozess erfolgt, wobei der Draht entlang seiner Längsachse Lage für Lage aufgebaut wird. Die Aufnahmen gelangen den Forschern mithilfe eines hochauflösenden Elektronenmikroskops.

Nanodrähte mit Durchmessern von weniger als 50 Nanometern haben das Potenzial, elektronische Geräte – etwa Handys und Computer – künftig kompakter zu machen. Ihr Wachstum kann aber nur gezielt beeinflusst werden, wenn der zugrunde liegende Entstehungsprozess verstanden ist. Meist wachsen Nanodrähte in einem sogenannten Gas-Flüssigkeit-Festkörper-Prozess (Vapour-Liquid-Solid Growth oder VLS). Dabei gelangen die zum Wachstum benötigten Atome aus der Gasphase über die flüssige Phase in einen festen Zustand, der dann den Nanodraht bildet. „Nanodrähte aus Silizium wachsen zum Beispiel, indem sich die Silizium-Atome in einem Tropfen aus flüssigem Gold lösen und dort in Richtung der Grenzfläche des Nanodrahts bewegen, an den sie sich dann anlagern“, erläutert Christina Scheu.

Doch was passiert, wenn die flüssige Phase die zum Wachstum benötigte Atomsorte nicht lösen kann? Der in diesen Experimenten zum Wachstum der Aluminiumoxid-Nanodrähte verwendete Aluminiumtropfen kann bei hohen Temperaturen keinen Sauerstoff aufnehmen. Die Wissenschaftler untersuchten, welche Auswirkungen dies hat und führten bei 750 Grad Celsius Experimente in einem Transmissions-Elektronenmikroskop durch.

Abb.: Wachstum eines Aluminiumoxid-Nanodrahtes. Auf den Bildern A-C wächst der Kristall an der Grenzfläche zur flüssigen Phase, die auch an die gasförmige Phase angrenzt. In den Schritten D-F werden diese Schichten zugunsten Wachstums an einer anderen Phasengrenze zwischen fest und flüssig wieder abgebaut. (Bild: Oh et al., Science)

Dabei zeigte sich, dass das selbstkatalytische Wachstum der Nanodrähte in einem zweistufigen Prozess erfolgt. An den Tripelpunkten zwischen flüssiger Phase, Gasphase und fester Phase werden zunächst kleine Kristallfacetten gebildet und anschließend wieder aufgelöst. „Wenn die Kristallfacetten in die Länge wachsen, wird Sauerstoff frei, der entlang der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Nanodraht eingebaut werden kann“, sagt Scheu. „Damit wächst der Nanodraht um eine Atomlage.“ Diese Vorgänge wurden in einem Echtzeit-Video festgehalten.

LMU / Luise Dirscherl / KK

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