Am Berliner Institut für Kristallzüchtung entstehen ungewöhnliche Gebilde. Sie könnten einen Weg in die Zukunft der Elektronik weisen
Es gibt spitze Pyramiden, und es gibt stumpfe. Allesamt sind sie winzig: Hunderttausende von ihnen würden in einen einzigen i-Punkt in einer Zeitungsmeldung passen. Alle bestehen aus kristallinem Material, einer Mischung aus Silizium und Germanium. Und doch gibt es einen gewichtigen Unterschied. Die Pyramiden ohne Spitze sind ein Exempel für das Erreichen eines hohen Ordnungsgrades durch Selbstorganisation; jene mit der Spitze nicht. Anne-Kathrin Gerlitzke und Torsten Boeck vom Berliner Institut für Kristallzüchtung erklären, wieso die "schöneren" Pyramiden das schlechtere Beispiel sind.
Die beiden Wissenschaftler beschäftigen sich mit dem Wachstum von Halbleiterkristallen. Dabei beobachten sie das Phänomen der Selbstorganisation. Ästhetische Maßstäbe helfen bei der Beurteilung der Perfektion nicht weiter. Denn selbst wenn die Pyramiden, die eine Spitze aufweisen, schöner aussehen, so sieht auch der Laie, dass sie unterschiedlich groß sind und sich recht ungeordnet gruppiert haben. Das zeigen die Bilder, die Anne-Kathrin Gerlitzke gemacht hat, recht deutlich. Auf anderen Bildern dagegen stehen Pyramidenstümpfe - in Reih und Glied, fast wie auf einem Schachbrett. Und das ist eben die hohe Kunst der Kristallzüchter: Sie gestalten die Wachstumsbedingungen so, dass genau jenes Muster entsteht.
Die Züchtung müsse nahe am thermodynamischen Gleichgewicht ablaufen, erläutert Dr. Torsten Boeck, Themenleiter für "Silizium-Germanium-Nanostrukturen" am IKZ. "Hierbei liegen die feste und flüssige Phase nebeneinander vor, etwa wie bei einem eisbedeckten See bei null Grad Celsius. Kleinste Temperaturänderungen bewirken weitere Kristallisation oder Auflösung." Die Nähe zum thermodynamischen Gleichgewicht ist jedoch nicht der einzige Faktor. Um die Pyramidenstümpfe zu erzeugen, müssen die Forscher Verspannungen in die Kristalle einbauen. "Wenn sich die Atome Schicht für Schicht auf einem Substrat anlagern, dann orientieren sie sich am Kristallgitter der Unterlage. Weist dieses einen anderen Abstand zwischen den Atomen auf als die darüberliegende Schicht, dann entstehen Spannungen. "Das Material versucht, dies auszugleichen", sagt Boeck. Es bildet keine homogenen Schichten mehr, sondern Inseln, die nach einem ganz bestimmten Muster weiter wachsen - bis sie eine regelmäßige Anordnung von Pyramidenstümpfen gebildet haben.
Wo liegen die möglichen Anwendungen für solche Strukturen? Zum einen in der Mikroelektronik, antwortet Boeck. Denn die Hersteller von Computerbauteilen kommen mit den herkömmlichen Belichtungsverfahren bei der Chipherstellung an die Grenzen der Miniaturisierung. Zum anderen seien auf der Basis der Pyramidenstümpfe hocheffiziente Leuchtdioden vorstellbar. "Doch unser Verfahren eignet sich nicht zur Produktion solcher Bauteile", schränkt Boeck gleich ein. "Aber wir können wichtige Referenzproben für die Forschung liefern.
"Bereits jetzt gibt es Ansätze, Selbstorganisation zur Herstellung von Computerchips zu nutzen. Kürzlich meldete der Elektronikriese IBM, dass Forscher des Konzerns einen Polymerfilm mit regelmäßig angeordneten sechseckigen Öffnungen von etwa 20 Nanometer Durchmesser erzeugten. Diesen Film verwendeten sie als eine Art Maske, um einen Speicher aus Silizium-Nanokristallen herzustellen. In drei bis fünf Jahren solle die Technik in den Produktionsprozess integriert werden, hieß es vor wenigen Monaten. So schnell kann aus Grundlagenforschung angewandte Wissenschaft werden.
Dieser Text ist die gekürzte Version eines Beitrages für das Verbundjournal. Die Zeitschrift des Forschungsverbundes Berlin ist soeben erschienen und hat das Titelthema Selbstorganisation. Sie kann als PDF aus dem Internet geladen werden:Interessenten erhalten auch eine Print-Ausgabe. Anforderungen unter:
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