Bandstruktur von verspannten WZ-Typ Nanodrähten

Halbleiter, die im Allgemeinen die kubische Zinkblende Struktur aufweisen, können auch in der hexagonalen Wurtzit Struktur kristallisieren wenn sie als Nanodraht gewachsen werden. Theoretische Arbeiten stellen signifikant veränderte elektronische und optische Eigenschaften dieser Wurtzit-Typ Materialien in Aussicht. Bisher ist allerdings wenig experimentelles Datenmaterial verfügbar, da das notwendige kristallphasenreine Material bisher nicht in ausreichender Qualität hergestellt werden konnte. Erst vor kurzem wurde durch Fortschritte in der Synthese das Wachstum von phasenreinen Wurtzit Nanodrähten in verschiedenen Materialsystemen ermöglicht. Dieser Antrag hat die Untersuchung der Bandstruktur von Silizium, Germanium und Gallium Phosphid Nanodrähten, die in der hexagonalen Kristallstruktur gewachsen wurden, zum Ziel. Die optischen und elektronischen Eigenschaften der Nanodrähtewerden mittels spektroskopischer wie auch elektrischer Charakterisierung ermittelt. Die Nanodrähte werden monolithisch in ein mikro elektro mechanisches Bauelement integriert, das die dynamische uniaxiale Verspannung der Strukturen erlaubt. Die ausgeprägten Effekte der mechanischen Verspannung auf die elektro-optischen Eigenschaften werden verwendet, um ein tieferes Verständnis der Bandstruktur dieser neuen Klasse von Materialien zu erlangen. Das Projekt wird im Besonderen von der einzigartigen Kombination von Know-how aus den Gebieten Nanodraht Synthese, Verspannungstechniken und spektroskopische Charakterisierung profitieren.

Im Rahmen des Projektes wurden grundlegende optische und mechanische Eigenschaften eines neuartigen Materials, Wurtzit Gallium Phosphid, erforscht. Tensile Verspannung, d.h. das kontrollierte Dehnen des Materials in eine Richtung, wurde verwendet um die Möglichkeiten der Charakterisierung zu erweitern. Für die Realisierung dieses Projektes, war es nötig Expertenwissen aus den Bereichen Mikro-Elektro-Mechanische Systeme, Nanodrahtwachstum und integration, optische Charakterisierung bei tiefen Temperaturen, Quantenphysik und Modellierung zu vereinen, um den Rahmen für diese innovative Charakterisierungsmethode zu schaffen. Dadurch konnte der Mechanismus der Lichtemission im Material bestimmt werden. Dieses Wissen trägt zu einem besseren Verständnis der optischen und elektronischen Eigenschaften von Wurtzit Gallium Phosphid, der Forschung an verwandten Materialien und Anwendungen im Bereich der LED Beleuchtung bei. Weiters wurde die Durchmesserabhängigkeit der elastischen Eigenschaften der Nanodrähte charakterisiert. Die Ursache der Größenabhängigkeit liegt dabei in dem größer werdenden Beitrag der Oberflächenatome wenn der Durchmesser der Drähte reduziert wird. Die Kenntnis um diese mechanischen Eigenschaften bildet die Voraussetzung für die Anwendung z.B. in piezoelektrischen Sensoren. Halbleiter wie Gallium Phosphid stellen die Grundlage für Computerchips und festkörperbasierte Lichtquellen wie Laser und LEDs dar. Das Halbleitermaterial kann verschiedene Kristallstrukturen aufweisen, d.h. verschiedene Abfolgen der Kristallebenen. Halbleiter, die in makroskopischen Kristallen nur in der kubischen Zinkblende Struktur vorkommen, können in der hexagonalen Wurtzit Phase existieren wenn sie als Nanostrukturen gewachsen werden. Nanodrähte im Speziellen sind kleine langgezogene Strukturen mit einem Durchmesser in der Größenordnung von 1/1000 eines menschlichen Haares. Theoretische Arbeiten sagen signifikant veränderte elektronische und optische Eigenschaften dieser Wurtzit-typ Nanodrähte vorher. Aufgrund des Mangels an phasenreinem Material sind bis jetzt allerdings nur wenig experimentelle Daten verfügbar. Der Fortschritt in den Herstellungsprozessen hat aber das Wachstum von phasenreinen Wurtzit Nanodrähten in verschiedenen Materialsystemen ermöglicht. Diese Arbeit beschäftigt sich mit einem dieser Materialsysteme, Wurtzit Gallium Phosphid Nanodrähten.