Ungemütliche Kristallgitter

Unter einer Legierung versteht man üblicher­weise eine Mischung aus mehreren Metallen. Aber auch andere Materialien lassen sich legieren. In der Halbleiter­industrie werden etwa Oxid- und Nitrid-Legie­rungen seit langem erfolg­reich einge­setzt, um Material­eigenschaften gezielt zu verändern. Meist sind die Eigen­schaften der Ausgangs­stoffe noch gut erkennbar. Mischt man aller­dings Verbin­dungen, deren Kristall­strukturen überhaupt nicht zusammen­passen, entstehen Hetero­struktur-Legie­rungen. In diesen Legie­rungen ändert sich die Struktur abhängig vom Mischungs­verhältnis der Kompo­nenten. Dies führt bisweilen zu über­raschenden Eigen­schaften, die sich deutlich von denen der Ausgangs­stoffe unter­scheiden. Genau solche Oxid-Legierungen interes­sieren den Empa-Forscher Sebastian Siol. Bei der Suche nach dem gewünschten Material behält er Aspekte wie Struktur, die elek­tronischen Eigen­schaften und die Langzeit­stabilität im Auge.

Siol hatte zusammen mit seinen Kollegen Mangan­selenid und Mangan­tellurid im Kalt-Dampf-Verfahren (Magnetron­sputtering) vermischt. Die Ausgangs­stoffe hatten sich bei bestimmten Mischungs­verhältnissen in einem für beide Komponenten „unge­mütlichen“ Kristall­gitter vereinigt. Keiner der Partner konnte dem anderen seine Lieblings-Kristall­struktur aufzwingen, die er im reinen Zustand bevorzugt. Der entstandene Kom­promiss war eine neue Phase, die normaler­weise nur bei negativem Druck entstehen würde – also dann, wenn das Material permanent unter Zug gesetzt wird. Solche Materialien sind unter normalen Bedin­gungen sehr schwer herzustellen. Siol und seine Kollegen am NREL haben es geschafft, diese Schwierig­keit zu umgehen. Das neue, nun zugäng­liche Material, zeigt viele nütz­liche Eigen­schaften, es ist unter anderem piezo­elektrisch. Man kann also damit Strom erzeugen, Detektoren her­stellen oder Halbleiter­experimente durch­führen, die mit den Ausgangs­stoffen nicht möglich wären.

Nun möchte Siol Oxid­gemische mit veränder­licher Struktur entdecken und so weit stabi­lisieren, dass sie alltags­tauglich werden. Im Fokus stehen zunächst Mischoxide aus Titan- und Wolfram­oxid, die zum Beispiel für die Beschichtung von Fenstern, für die Halbleiter­technik oder Sensorik interessant sein könnten. Siols Kollegin Claudia Can­cellieri erforscht bereits seit einigen Jahren die elek­tronischen Eigen­schaften von Oxid-Grenz­flächen und bringt ihre Erfahrungen in die gemein­samen Forschungs­projekte ein. „Die Material­kombination ist extrem spannend“, so Siol.

Titan­oxide sind äußerst stabil, sie werden in Solar­zellen, in Wandfarben und in Zahnpasta verwendet. Wolfram­oxide sind dagegen vergleichs­weise instabil und werden für tönbare Fenster, Gas­sensoren oder als Kata­lysatoren in der Petro­chemie eingesetzt. „In der Vergan­genheit lag der Forschungs­fokus oft aus­schließlich auf der Opti­mierung der Material­eigenschaften“, sagt Siol. „Entscheidend ist aller­dings auch, ob man das Material über mehrere Jahre lang in dem jeweiligen Anwendungs­gebiet einsetzen kann.“ Das wäre zum Beispiel für Halbleiter-Schicht­systeme wie in elektro­chromen Fenstern wichtig, die in aggres­siven Umgebungen unter Einwirkung von Sonnen­licht und Temperatur­schwankungen Jahr­zehnte lang halten müssen.

Zur Herstellung dieser Oxid­phasen wenden Siol und seine Kollegen verschiedene indus­triell skalier­bare Verfahren an. Zum einen die kontrol­lierte Oxidation dünner Metall­schichten in einem Ofen oder in elektro­lytischer Lösung. Aber auch reaktives Sputtern kommt zum Einsatz, wobei die Metalle unmit­telbar bei der Ab­scheidung oxidiert werden. „Unmög­liche“ Oxid-Legierungen, bisher ein Thema der Grundlagen­forschung, werden damit langsam für Industrie­anwendungen greifbar.

Empa / JOL