Elektronik im Nanobereich 08.04.2013, 12:48 Uhr

Siliziumfäden mit überraschenden Eigenschaften

Internationale Forscher haben Nanodrähte aus Silizium gezüchtet und dabei mit Aluminium „verunreinigt“. Solche Werkstoffe, in denen sich Fremdatome wie von selbst in ungewöhnlichen Mengen ansammeln, versprechen neue technische Lösungen.

Der oben zu erkennende Aluminiumtropfen fängt Silanmoleküle ein, die sich in Silizium verwandeln und durch den Tropfen hindurchsinken. Hier bauen sie Schicht für Schicht den Nanodraht auf.

Der oben zu erkennende Aluminiumtropfen fängt Silanmoleküle ein, die sich in Silizium verwandeln und durch den Tropfen hindurchsinken. Hier bauen sie Schicht für Schicht den Nanodraht auf.

Foto: MPI für Mikrostrukturphysik

Der Nanobereich ist geheimnisumwittert. Werkstoffe verändern, wenn sie auf Größen von Millionstel Millimetern verkleinert werden, ihre Eigenschaften, physikalische und chemische Gesetze gelten plötzlich nicht mehr. Was viele Wissenschaftler freut. Denn die Gesetzlosigkeit führt manchmal zu Bauteilen mit überraschenden Funktionen. Forscher des Max-Planck-Instituts für Mikrostrukturphysik in Halle an der Saale, der École Polytechnique im kanadischen Montréal sowie der Northwestern University im US-amerikanischen Bundesstaat Illinois haben Nanodrähte aus Silizium gezüchtet. In denen lassen  sich weitaus mehr Aluminiumatome finden als nach der klassischen Thermodynamik möglich ist. Diese Theroie  erlaubt ein einziges Aluminiumaton auf eine Million Siliziumatome. Tatsächlich waren es 40 000 Mal so viele. Das verbessert die Leitfähigkeit der Drähte – ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Entwicklung von extrem kleinen elektronischen Bauteilen

Durch Dotieren leitet Silizium Strom besser

Silizium in reiner Form leitet Strom nur schlecht. Das ändert sich, wenn es mit Fremdatomen verunreinigt wird – Fachleute sprechen von Dotieren. Erst dann lässt es sich zur Herstellung etwa von Transistoren verwenden.

Dotieren im Nanobereich scheint viel einfacher zu sein als die üblichen Prozesse, bei denen Silizium und anderes Halbleitermaterial beispielsweise mit entsprechenden Ionen beschossen wird. Die Fremdatome, in diesem Fall Aluminium, tauchen freiwillig in die Siliziumstruktur ein, während der Nanodraht wächst. Mehr noch: Sie verteilen sich sehr gleichmäßig und bilden keine Cluster, das sind größere Ansammlungen von Aluminiumatomen, die die Funktionsfähigkeit des Drahtes beeinträchtigen würden. „An dem Tag, als ich die Ergebnisse sah, habe ich einen Luftsprung gemacht“, sagte Oussama Moutanabbir, der einen Großteil der Untersuchungen in seiner Zeit am Max-Planck-Institut in Halle machte und jetzt an der École Polytechnique in Montréal forscht.

Aus einer Insel wird ein Draht

Das Verfahren zur Herstellung von dotierten Nanodrähten aus Silizium mutet kurios an. Die Forscher platzieren auf einem Siliziumwafer nanometergroße Inselchen aus Aluminiumatomen. Der Wafer wandert in eine Vakuumkammer, die beheizt wird. Einströmendes Silan, das ist ein Gas, das bei der Reaktion von Silizium und Wasserstoff entsteht, setzt sich auf den Aluminiuminseln ab, sobald diese geschmolzen sind. Mit dem Eintauchen verwandeln sich die Silanmoleküle in Siliziumatome. Diese sinken zu Boden und setzen sich auf dem Wafer ab. Schicht für Schicht wächst so ein Nanodraht in die Höhe, in dem fein verteilt eine große Zahl von Aluminiumatomen zurückbleibt.

Diesen Prozess und sein überraschendes Ergebnis wollen die Forscher nutzen, um Nanodrähte aus anderen Werkstoffen herzustellen, die, wie sie hoffen, mit faszinierenden technischen Eigenschaften glänzen.

Von Wolfgang Kempkens

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