Springende Silizium-Atome
Bislang unbekannte Eigenschaft von Halbleitern im Nanometer-Bereich entdeckt.
Silizium ist derzeit das für die Mikroelektronik am besten geeignete Grundmaterial: Es dient als Ausgangsmaterial für alle gängigen Computerchips. Kristallines Silizium wird außerdem zunehmend für die Herstellung von TFT-Flachbildschirmen verwendet und findet darüber hinaus bei der Produktion von Photovoltaikanlagen Anwendung. Ein weiterer Halbleiter ist das Element Germanium, das anfänglich das führende Material in der Elektronik darstellte, bis es vom Silizium verdrängt wurde. Vor wenigen Jahren wurde bekannt, dass einatomige Schichten aus Germanium Elektronen bis zu zehn Mal schneller als Silizium leiten. Dadurch könnte es als Halbleitermaterial erneut interessant werden.
Abb.: Halbleiteratome (wie Silizium- und Germaniumatome) werden im Nanometer-Bereich unter dem Einfluss von Metall (wie Aluminium) zu Sprüngen angeregt, und zwar sogar bei extrem niedrigen Temperaturen von -190 Grad Celsius. (Bild: Z. Wang, MPI-IS)
Sowohl Silizium als auch Germanium sind sehr hitzebeständig und schmelzen erst bei Temperaturen über neunhundert Grad Celsius. Die Atome sind im festen Zustand gleichmäßig in einem Kristallgitter angeordnet und schwingen lediglich um ihren Standort. Bei steigenden Temperaturen werden die Schwingungen stärker, und auch Positionsveränderungen der Atome in Form von Sprüngen werden häufiger. Bei Raumtemperatur werden diese Atom-Sprünge hingegen kaum beobachtet.
Eric Jan Mittemeijer, Direktor am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme in Stuttgart, und seine Mitarbeiter haben nun entdeckt, dass Atomsprünge in Silizium und Germanium überraschenderweise sogar bei äußerst niedrigen Temperaturen im Bereich von minus 190 Grad Celsius auftreten, sobald sie in extrem dünnen Schichten von bis zu einem Nanometer mit dem Metall Aluminium in Berührung kommen.
Die Forscher versuchten, bei Temperaturen von minus 190 Grad Celsius eine Probe herzustellen, bei der eine einen Nanometer dünne Schicht Germanium oder Silizium wie in einem Sandwich von zwei Aluminium-Schichten umschlossen sein sollte. Das Germanium oder Silizium wich jedoch während der Präparation immer wieder aus und hüpfte an die Oberfläche der Aluminium-Schicht. Es war nicht möglich, die gewünschte Probe herzustellen.
Die Wissenschaftler untersuchten daraufhin den Bindungszustand der Halbleiter-Atome mithilfe von röntgenspektroskopischen Messungen. Dabei stellten sie fest, dass bei extrem dünnen Schichten im Bereich von bis zu einem Nanometer die starke Bindung zwischen den einzelnen Halbleiter-Atomen aufgrund einer Wechselwirkung mit dem benachbarten Aluminium gelockert wird. Die Halbleiter-Atome können häufiger und leichter springen. Aufgrund dieser Sprünge sind die Halbleiter-Atome beweglich und verändern ihre Position: Sie springen an die Oberfläche der Aluminiumschicht. Das benachbarte Aluminium löst diese Beweglichkeit aus und darf dabei nicht weiter entfernt sein als einen halben Nanometer.
Diese überraschende Beobachtung könnte zunehmend an Bedeutung gewinnen, da der Trend zu immer kleineren Halbleiter-Bauelemente in Computern geht. Diese befinden sich bereits in einer Größenordnung von zehn bis vierzig Nanometern, so dass an der Grenzfläche von Halbleiter zu Metallen Verschmierungen aufgrund von Atom-Sprüngen entstehen können. Interessant ist die Entdeckung des Phänomens auch für die Herstellung von Dünnschichtpräparaten auf hitzeempfindlichen Materialien, da der Halbleiter sogar bei sehr niedrigen Temperaturen zur Beweglichkeit angeregt werden kann.
MPG / RK
