Synthese und Charakterisierung von Nanostrukturierten Germanium-Zinn-Legierungen

Viele elektronische Bauteile basieren auf einem chemischen Element, dem Silizium. Germanium ist bezüglich seiner Eigenschaften dem Silizium sehr ähnlich. Beide Elemente können in einem weitreichenden Spektrum von Anwendungen eigesetzt werden. Eine Ausnahme bilden hierbei Einsatzgebiete, die auf einem Leuchten des Materials beruhen. Reines Germanium und Silizium können nicht effektiv leuchten und damit ist die Verwendung in diesen Bereichen eingeschränkt. Diese Limitierung kann durch ein Mischen von Germanium mit Zinn überwunden werden, jedoch kann diese Mischung nur unter definierten Umständen realisiert werden. Gewöhnlich kann die Herstellung eines solchen Mischmaterials lediglich unter niedrigem Druck und nur auf sehr definierten Kristalloberfächen erreicht werden. Andere Herstellungsmethoden sind zum derzeitigen Kenntnisstand sehr limitiert, da unter vielfach für andere Materialsynthesen bewährten Umständen lediglich Germanium und Zinn ausbilden, aber kein einheitliches Material mit beiden Elementen im Kristall entsteht. Dieses Problem wird in dem hier angestrebten Projekt behandelt. Dieses Projekt beinhaltet die Synthese von sehr kleinen Strukturen im Nanometerbereich mit sehr definierter Zusammensetzung zwischen Germanium und Zinn sowie zusätzlich einer Kontrolle über die Form dieser Strukturen. Bisher war es lediglich möglich kleine vordefinierte Strukturen mit vorbestimmter Zusammensetzung durch Zerkleinern von Schichten herzustellen. In dem beschriebenen Projekt wird auf die kostenintensive Herstellung von Beschichtungen verzichtet und die Synthese von kleinen Einheiten, wie beispielsweise Partikeln oder haarähnlichen Kristallen, in Lösungen angestrebt. Diese Verfahren sind zum einen günstiger und zum anderen kann man hierbei zusätzlich Informationen gewinnen, welche Faktoren nötig sind um die gezielte Herstellung zu realisieren. Die Materialherstellung wird hierbei hauptsächlich mit Mikrowellenreaktoren, die man in einfacher Ausführung zum Erhitzen aus dem Alltag kennt, angestrebt und kann danach ebenfalls auf Oberflächen übertragen werden. Die Vorstufen zur gezielten Herstellung dieser Materialien sind spezielle, chemisch modifizierte Moleküle, die einen Aufbau der angestrebten Materialzusammensetzung erlauben und die Zusammensetzung mitbestimmen. Diese Moleküle werden durch chemische Reaktionen in unseren Labors hergestellt und erlauben uns daher deren Zusammensetzung und Eigenschaften zu steuern. Dies verdeutlicht ebenfalls, dass dieses Forschungsprojekt an der Grenze zwischen Nanotechnologie, Physik und anorganischer Materialchemie angesiedelt ist und daher unsere Erfahrungen in diesen drei Bereichen bedarf. Es wichtig das Material an sich zu modifizieren und darüber hinaus die äußere Gestalt zu kontrollieren, da beide Faktoren für physikalische Eigenschaften wichtig sind. Die Eigenschaften, wie beispielsweise die Leuchtkraft und die Energie der abgegebenen Strahlung, dieser Germanium-Zinn Nanostrukturen wird in Laufe dieses Projektes untersucht werden. Durch Rückschlüsse zwischen den beobachteten Eigenschaften kann somit direkt eine Optimierung der Zusammensetzung und Herstellungsmethoden stattfinden. Die Anwendungsgebiete dieses Materials sind weitreichend und umfassen die Herstellung von Leuchtquellen und Lasern mit bisher nur schwer realisierbaren Wellenlängen, elektrisch aktiver Bauteile, Materialien zur medizinischen Diagnostik usw.. Insbesonders für bildgebende Verfahren in der Medizin können diese Materialien interessant sein, da die geringe Energie der abgegebenen Strahlung keine schädigenden Auswirkungen auf das umliegende Gewebe hat.

Die Siliziumtechnologie ist heutzutage die Basis für elektronische Bauteile. Diesbezüglich kann ebenfalls Germanium sowohl in Kombination mit Silizium als auch separat in einem weitreichenden Spektrum von Anwendungen eingesetzt werden. Die moderne Elektronik beruht auf Halbleitern mit bestimmten Zusätzen wodurch die physikalischen Eigenschaften eines Materials auf die Ansprüche des Einsatzgebietes angepasst werden. In Siliziumkristalle werden beispielsweise gezielt Fremdatome in kleinen Mengen eingebaut und somit für spezifische Anwendungen optimiert. Diese Strategie des Mischens von Elementen in vordefinierten Verhältnissen ist nicht immer möglich und spezifische physikalische Effekte sind in reinem Silizium und Germanium nicht ohne weiteres zu beobachten. Als reine Materialien können diese Elemente beispielsweise nicht effizient zum Leuchten angeregt werden und dies schränkt eine Anwendbarkeit, z.B. als Lichtquelle, ein. In diesem Projekt wurden Methoden entwickelt die eine Herstellung von nanostrukturierten Materialien in vorab nicht bekannten Zusammensetzungen erlauben. So entstehen neue Materialien mit deutlich veränderten physikalischen Eigenschaften. Die Nanostrukturen in diesem Projekt können mittels Techniken hergestellt werden die mit den heutigen Standardverfahren der Siliziumtechnologie kompatibel sind. Die Eigenschaften des Germaniums konnten in diesem Projekt durch ungewöhnlich hohe Konzentrationen von Zinn bzw. Gallium im Germaniumkristallgitter grundlegend verändert werden. Dies ist nicht aus geschmolzenen Mischungen der beiden Elemente möglich, da sich diese nicht gut mischen und unter normalen Umständen separieren. Es gelang die Leitfähigkeit sehr stark zu verändern und Nanostrukturen aus Ge/Sn-Legierung, die als effektive Lichtquellen im mittleren Infrarotbereich fungieren können, zu erzeugen. Eine solch drastische Veränderung konnte durch die Synthese bei niedrigen Temperaturen erreicht werden, die den Einbau eines Vielfachen des normal Möglichen, wie beispielsweise bis zu 30% Zinn bzw. 3-4% Gallium, erlaubt. Diese nanostrukturierten, Materialien könnten in Zukunft zur optischen Kommunikation in zukünftigen Chipgenerationen, als Dektektoren oder auch als LEDs eingesetzt werden.