Untersuchung von Nanodrähten mit Röntgenbeugung

Halbleiternanodrähte haben sich zu einer wichtigen Klasse von Nanostrukturen entwickelt, da sie eine Reihe vielversprechender Anwendungen in Elektronik und Optoelektronik ermöglichen. Besonders III-V Verbindungshalbleiter verfügen über dafür vorteilhafte Eigenschaften wie hohe Ladungsträgerbeweglichkeit und direkte Bandlücke. Der kleine Durchmesser der Nanodrähte sowie axiale und radiale Heterostrukturen ermöglichen, quantenmechanische Einschlusseffekte und die erhöhte Zustandsdichte zur gezielten Einstellung von Bandlücken und -offsets zu nutzen, und so gegenüber Volumsmaterial deutlich verbesserte Materialeigenschaften zu erzielen. Der kleine Durchmesser von Nanodrähten erlaubt zudem das epitaktische Wachstum auf zahlreichen Substratmaterialien, vor allem auch auf Silizium, beinah unabhängig von der Gitterfehlanpassung, ohne dass dabei in den Drähten ausgedehnte Defekte entstehen. Dies gilt jedoch genau genommen nur für "einfache" Nanodrähte aus einer einzelnen Materialkomponente und ohne Heterostrukturen und inneren Grenzflächen. Für komplexere Strukturen wie oben beschrieben können bestimmte Defekte sehr wohl auftreten. Das Hauptziel dieses Projektes ist die Bestimmung der strukturellen Eigenschaften von Halbleiternanodrähten mit Hilfe von Röntgenbeugungstechniken. Besonders das Auftreten und die Verteilung von zwei besonders wichtigen Typen von Defekten soll dabei untersucht werden: Versetzungen entstehen beim plastischen Abbau von Verspannungen im Material, vor allem an Grenzflächen zwischen Substrat und Nanodrähten, oder aber an inneren Grenzflächen zwischen verschiedenen Materialien mit hoher Gitterfehlanpassung, sowie aufgrund thermischer Verspannungen, die durch die Synthese der Nanodrähte bei hohen Temperaturen entstehen können. Der zweite Defekttyp sind Stapelfehler im Kristallgitter, bzw. auch Zwillingsbildung in den Drähten. Eng damit verbunden ist eine Veränderung der Kristallstruktur von kubisch (Zinkblendegitter) zu hexagonal (Wurtzitgitter). Dieses Phänomen tritt beinah exklusiv in Nanodrähten durch Änderung der Stapelfolge von biatomaren Lagen entlang der [111]B Wachstumsrichtung auf. Die strukturellen Daten aus diesem Projekt werden mit optischen und elektronischen Daten korrelliert werden, sowie als Basis für theoretische Berechnungen dieser Eigenschaften dienen. Dadurch wird das Projekt zum besseren Verständnis von Wachstum und Eigenschaften von Nanodrähten beitragen.

In diesem Projekt wurden Röntgenbeugungsmethoden für die Analyse von Halbleiternanodrähten entwickelt, sowie entsprechende Analysen durchgeführt. Der Hauptaugenmerk lag auf der Verwendung nanofokussierter Synchrotronstrahlung zur lokalen Analyse einzelner Nanodrähte bzw. in diesen eingelagerter Heterostrukturen wie Quantenpunkten mit Hilfe der Kombination aus hochauflösender Röntgenbeugung und detaillierter Finite-Elemente-Modellierung konnten die Verteilungen von Verzerrung und chemischer Zusammensetzung in der Umgebung solcher Heterostrukturen bestimmt werden. Ein zweites wesentliches Projektergebnis stellt die genaue Aufklärung der Kristallstruktur hexagonaler Polytypen dar, die so bisher nur in Nanodrähten realisierbar und damit zugänglich sind. Besonders hervorhebenswert ist hier die Vermessung von hexagonalem Silizium, das womöglich einen Weg zur Realisierung deine Si-basierten Halbleitermaterials mit direkter Bandlücke eröffnen kann, was für die Integration optischer Bauelemente mit Silizium-Elektronik ein lange ersehnter Durchbruch wäre.