Wie entstehen Nitride?
Forschung hilft, neue Leuchtdioden zu entwickeln.
Glühbirnen sind ein Auslaufmodell, Energiesparlampen sollen sie ersetzen – doch Forscher arbeiten längst an der Entwicklung neuer, extrem heller und energie-effizienter Leuchtdioden. Dazu setzen sie Nitride ein, spezielle Kristalle, die in einem als Ammonothermal-Synthese bezeichneten Verfahren gezüchtet werden.
Abb.: Mit einem solchen Lasersystem ist ein Blick ins Innere der Reaktionprozesse des Nitrides möglich. (Bild: Fuchs)
Wissenschaftler der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), der Ludwig-Maximilians-Universität München und der Universität Stuttgart wollen dieses Verfahren genauer erforschen. Jetzt fördert die Deutsche Forschungsgemeinschaft das Projekt „Chemie und Technologie der Ammonothermal-Synthese von Nitriden“ für zunächst drei Jahre mit rund 2,7 Millionen Euro.
Aufgeteilt auf sieben Teilprojekte wollen die Wissenschaftler elementare Erkenntnisse über die Ammonothermal-Synthese gewinnen. Ihr Ziel ist es, gezielt Nitride hoher Qualität zu züchten. Diese sollen die Grundlage für die Entwicklung neuer Stoffe und Materialien auf Nitrid-Halbleiterbasis bilden. Diese können dann in Leuchtdioden oder Lasern, aber auch in anderen Bereichen, wie der Halbleiterelektrotechnik, genutzt werden.
In heutigen LEDs wird unter anderem Galliumnitrid verwendet. Galliumnitrid wird in einer Schicht beispielsweise auf Saphir-Substrate aufkristallisiert, mit dem Resultat eines mit wenig Energieaufwand hell leuchtenden Lichts. Bei dieser Methode bilden sich durch die unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften der Kristalle und des Substrates jedoch Spannungen in dem Bauelement aus, die zu einer großen Zahl von Kristallbaufehlern und zu schlechter Haltbarkeit führen.
Als Lösung für dieses Problem können Einkristalle dienen, also Kristalle, die nicht auf andere Substrate aufwachsen, sondern auf kleine Kristallstücke, die aus dem gleichen Material bestehen wie sie selbst. Eine der vielversprechendsten Methoden zur Herstellung solcher Einkristall-Nitride ist die Ammonothermal-Synthese: In einer Atmosphäre von Ammoniak, unter einem sehr hohen Druck von 3000 Bar und bei rund 600 Grad Celsius entstehen in gasdicht verschließbaren Druckbehältern diese Kristalle. Aufgrund der extremen Reaktionsbedingungen konnten Wissenschaftler noch nie Messungen anstellen, die die Prozesse untersuchen, die während der Reaktion ablaufen.
Die Teilprojekte zielen auf die Erforschung unterschiedlicher Aspekte der Ammonothermal-Synthese. So soll zum einen hochreines Galliumnitrid erzeugt werden, das die Grundlage für die Herstellung energieeffizienter Leuchtdioden bildet. Zum anderen will das Forscherteam neue Messverfahren entwickeln, mit denen es alle Aspekte der Synthese exakt analysieren kann. Dafür haben die Wissenschaftler auch eine „Sichtzelle“ entwickelt. Diese Zelle ermöglicht es, bei den hohen Drücken und Temperaturen die Strömungsverhältnisse und Reaktionsvorgänge in den Druckbehältern mit High-Speed-Kameras und laserspektroskopischen Messtechniken aufzunehmen.
FAU / PH
