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Samstag, 21.10.2017
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Nanosäulen leuchten besser ohne Gold

Züchtungsmethode mit Goldkatalysator führt zu leistungsmindernden Verunreinigungen

Nanosäulen aus Galliumarsenid gelten als ein vielversprechendes Material für effiziente Halbleiter beispielsweise für Solarzellen. Jetzt haben Forscher erstmals nachgewiesen, dass die gängige Züchtungsmethode dieser Nanostruktur mit Hilfe eines Goldkatalysators entscheidende Eigenschaften empfindlich stört. Wie sie in der Fachzeitschrift „Nano Letters“ berichten, gaben die von ihnen goldfrei erzeugten Nanosäulen hundertmal mehr Licht ab als die per Standardverfahren produzierten und erwiesen sich sogar als den klassischen Schicht-Halbleitern überlegen.
Nanosäulen aus Galliumarsenid wachsen auf einer Siliziumunterlage.

Nanosäulen aus Galliumarsenid wachsen auf einer Siliziumunterlage.

Alle wollen es – nur die Halbleiterphysiker nicht. Für sie ist Gold nicht das geliebte Edelmetall, sondern ein Störenfried, der die elektronischen Eigenschaften ihrer Materialien verschlechtert. Trotzdem verwenden sie Gold häufig als Katalysator für das Wachstum von Nanosäulen – weil es einfach geht. Das Gold wird dafür auf einer Unterlage abgeschieden und erhitzt. Dadurch fließt es zu kleinen Tröpfchen zusammen, die als Keime für das Säulenwachstum dienen. Die Säulen schieben das Gold während des Wachstums wie eine kleine Kappe nach oben. Wahrscheinlich wandert das Gold dabei auch in das Säulenmaterial und verunreinigt es, experimentell nachweisen lässt sich das aber nur schwer.

„Für einen direkten Nachweis von Gold im Halbleiter bräuchte man eine Methode mit sehr hoher Empfindlichkeit und Ortsauflösung“, erklärt Lutz Geelhaar vom Paul-Drude- Institut (PDI) in Berlin. Schließlich liegt nur wenige Nanometer von der Messstelle entfernt das Goldkäppchen, welches die Messungen verfälschen kann.

Säulen im Photolumineszenz-Vergleich


Jetzt aber haben PDI-Forscher bei Galliumarsenid (GaAs)- Säulen erstmals indirekte Hinweise auf den Einbau von Gold gefunden. Galliumarsenid dient unter anderem als Material für Leucht- und Laserdioden sowie für Solarzellen hoher Effizienz, wie sie in Satelliten verwendet werden. Damit Halbleiter wie Galliumarsenid auch auf Silizium wachsen, arbeiten Forscher zunehmend daran, sie nicht als Schicht, sondern als Säulen zu züchten. Hier wirken sich Verspannungen auf Grund unterschiedlicher Kristallgitter nicht so stark aus.


Die Forscher verglichen die Eigenschaften von Galliumarsenid - Säulen, die mit Gold gewachsen waren und solchen, bei denen reines Gallium als Keim diente. Mittels Photolumineszenzmessungen bestimmten sie, wie viel Licht die Säulen nach Anregung durch einen Laserstrahl aussandten. Die Messmethode beruht darauf, dass Halbleiter nach energetischer Anregung Elektronen und Löcher
bilden, die sich dann wieder vereinigen und dabei Licht aussenden.

Hundertfach mehr Licht ohne Goldkatalysator


Es zeigte sich, dass die goldfreien Säulen über hundertmal mehr Licht abgaben als die mit Gold gewachsenen. Auch die Lebensdauer der Ladungsträger im goldfreien Halbleiter war viel größer – die Säulen strahlten drei Nanosekunden lang. Mit Gold war dagegen bereits nach acht Pikosekunden alles vorbei und damit nach einer rund vierhundert Mal kürzeren Zeitspanne. Die Intensität des Lichtes und die Abklingdauer sind ein Maß für die optoelektronischen Eigenschaften des Materials, die sogenannte interne Quanteneffizienz.

„Diese großen Unterschiede hätten wir nicht erwartet“, so Geelhaar. Er betont, dass das Verfahren kein direkter Nachweis für Goldatome im Halbleiter ist. „Aber alles spricht dafür, dass die drastischen Eigenschaftsveränderungen auf das Gold zurückzuführen sind.“ Die Lebensdauer der Ladungsträger verglichen die Forscher auch mit Werten aus der Literatur für vergleichbare Schichten: „Unsere goldfreien Säulen übertreffen die Schichten auf Silizium sogar schon“, so der Physiker. Vieles spricht also dafür, dass Säulen die Schichten einmal ersetzen können. Unter einer Bedingung: Man lässt das Gold weg. (Nano Letters 2011, 11, 1276–1279)
(Forschungsverbund Berlin, 28.06.2011 - NPO)
 
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