Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Physiker simulieren das Kristallwachstum im Computer

31.10.2001


Vereinfachtes Modell für das Kristallwachstum: Ein Atom landet auf der Oberfläche (oben rechts), ein anderes bewegt sich auf den benachbarten Gitterplatz (weißer Pfeil). Grafik: Biehl


Ergebnis der Computersimulation eines Kristalls mit Pyramidenwachstum, nachdem sich mehr als fünf Milliarden Teilchen auf 512 x 512 Gitterplätzen angeordnet haben (Aufsicht).


Das Wachstum von Halbleiterkristallen wird am Lehrstuhl für Theoretische Physik III (Computational Physics) der Universität Würzburg mit Hilfe von Computersimulationen untersucht. Ein Schwerpunkt liegt auf Materialien, die aus verschiedenen Atomsorten bestehen, wie es zum Beispiel bei den modernen Verbindungshalbleitern der Fall ist.

Für die Entwicklung neuartiger elektronischer Bauelemente - zum Beispiel von verbesserten Laserdioden für CD-Spieler - benötigt man perfekte Kristalle aus Halbleitermaterialien. Eine wichtige Technik für die Herstellung solcher Kristalle im Labor ist die Molekularstrahlepitaxie: Dabei werden in einer Vakuumkammer geringe Mengen des gewünschten Materials in einem Ofen verdampft. Die Atome treffen auf die Oberfläche einer Schicht, in die sie schließlich eingebaut werden und die dadurch wächst.

"Ein fundiertes theoretisches Verständnis der Wachstumsprozesse sollte es ermöglichen, diese experimentellen Techniken systematisch zu verbessern", sagt der Würzburger Physiker Dr. Michael Biehl. In diesem Zusammenhang stelle die Simulation im Computer ein wichtiges Werkzeug dar.

Bei der Molekularstrahlepitaxie sollen in der Regel möglichst glatte Schichten des gewünschten Materials entstehen. In der Praxis zeigen sich aber häufig Abweichungen von diesem Ideal: Es bilden sich unregelmäßige, raue Oberflächen oder sogar kleine Hügel, die an Pyramiden oder Kegel erinnern.

"In der Simulation kann man nun - anders als beim Experiment - ganz bestimmte Prozesse verbieten oder bevorzugen", so Dr. Biehl. Auf diese Weise lasse sich zum Beispiel herausfinden, welche Rolle es für die Bildung der Hügel spielt, wenn Atome an den Kanten des wachsenden Kristalls gewissermaßen herunterklettern.

In diesem Zusammenhang stellen sich weitere Fragen: Welchen Einfluss hat die Temperatur oder die Wachstumsgeschwindigkeit auf die Hügelbildung? Unter welchen Bedingungen entstehen möglichst glatte Flächen? Solchen und ähnlichen Fragen gehen Dr. Biehl, Prof. Dr. Wolfgang Kinzel und Diplom-Physiker Martin Ahr zusammen mit anderen Kollegen im Rahmen eines Projektes nach, das von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert wird.

Es sollen Modelle weiterentwickelt werden, welche die Simulation relativ großer Systeme mit vertretbarem Zeitaufwand erlauben. Denn bislang stoßen die Wissenschaftler noch rasch an die Leistungsgrenzen der heutigen Rechner. Schließlich müssen möglichst große Systeme aus sehr vielen Atomen simuliert werden, um die interessanten Effekte überhaupt beobachten zu können. Mit der Zahl der Teilchen wächst natürlich auch die benötigte Rechenzeit.

Deshalb ist es von besonderer Bedeutung, effiziente Modelle und schnelle Computerprogramme zu entwickeln. Der wichtigste und zugleich schwierigste Schritt besteht darin, geeignete Modellvorstellungen zu erarbeiten: Sie sollen einerseits die komplizierten physikalischen Prozesse soweit vereinfachen, dass das Problem lösbar wird. Andererseits müssen sie natürlich immer noch die wichtigsten Materialeigenschaften wiedergeben.

Dr. Biehl: "Bei einer sehr erfolgreichen Klasse von Modellen werden die simulierten Teilchen nur auf den Plätzen eines fest vorgegebenen Kristallgitters bewegt. Nach bestimmten Spielregeln werden Atome wie Bauklötzchen auf das Gitter gesetzt, können dort herumwandern, sich an andere Teilchen anlagern und zur Ruhe kommen." Die Bewegungsregeln ergeben sich dabei aus den physikalischen Wechselwirkungen der Teilchen, die stark vereinfacht durch anziehende oder abstoßende Kräfte repräsentiert werden.

Weitere Informationen: Dr. Michael Biehl, T (0931) 888-5865, Fax (0931) 888-5141, E-Mail: 
biehl@physik.uni-wuerzburg.de

Robert Emmerich | idw

Weitere Berichte zu: Atom Schicht Simulation

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Einmal durchleuchtet – dreifacher Informationsgewinn
11.12.2017 | Friedrich-Schiller-Universität Jena

nachricht Stabile Quantenbits
08.12.2017 | Universität Konstanz

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Neue Einblicke in die Materie: Hochdruckforschung in Kombination mit NMR-Spektroskopie

Forschern der Universität Bayreuth und des Karlsruhe Institute of Technology (KIT) ist es erstmals gelungen, die magnetische Kernresonanzspektroskopie (NMR) in Experimenten anzuwenden, bei denen Materialproben unter sehr hohen Drücken – ähnlich denen im unteren Erdmantel – analysiert werden. Das in der Zeitschrift Science Advances vorgestellte Verfahren verspricht neue Erkenntnisse über Elementarteilchen, die sich unter hohen Drücken oft anders verhalten als unter Normalbedingungen. Es wird voraussichtlich technologische Innovationen fördern, aber auch neue Einblicke in das Erdinnere und die Erdgeschichte, insbesondere die Bedingungen für die Entstehung von Leben, ermöglichen.

Diamanten setzen Materie unter Hochdruck

Im Focus: Scientists channel graphene to understand filtration and ion transport into cells

Tiny pores at a cell's entryway act as miniature bouncers, letting in some electrically charged atoms--ions--but blocking others. Operating as exquisitely sensitive filters, these "ion channels" play a critical role in biological functions such as muscle contraction and the firing of brain cells.

To rapidly transport the right ions through the cell membrane, the tiny channels rely on a complex interplay between the ions and surrounding molecules,...

Im Focus: Stabile Quantenbits

Physiker aus Konstanz, Princeton und Maryland schaffen ein stabiles Quantengatter als Grundelement für den Quantencomputer

Meilenstein auf dem Weg zum Quantencomputer: Wissenschaftler der Universität Konstanz, der Princeton University sowie der University of Maryland entwickeln ein...

Im Focus: Realer Versuch statt virtuellem Experiment: Erfolgreiche Prüfung von Nanodrähten

Mit neuartigen Experimenten enträtseln Forscher des Helmholtz-Zentrums Geesthacht und der Technischen Universität Hamburg, warum winzige Metallstrukturen extrem fest sind

Ultraleichte und zugleich extrem feste Werkstoffe – poröse Nanomaterialien aus Metall versprechen hochinteressante Anwendungen unter anderem für künftige...

Im Focus: Geburtshelfer und Wegweiser für Photonen

Gezielt Photonen erzeugen und ihren Weg kontrollieren: Das sollte mit einem neuen Design gelingen, das Würzburger Physiker für optische Antennen erarbeitet haben.

Atome und Moleküle können dazu gebracht werden, Lichtteilchen (Photonen) auszusenden. Dieser Vorgang verläuft aber ohne äußeren Eingriff ineffizient und...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Innovative Strategien zur Bekämpfung von parasitären Würmern

08.12.2017 | Veranstaltungen

Hohe Heilungschancen bei Lymphomen im Kindesalter

07.12.2017 | Veranstaltungen

Der Roboter im Pflegeheim – bald Wirklichkeit?

05.12.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Neue Einblicke in die Materie: Hochdruckforschung in Kombination mit NMR-Spektroskopie

11.12.2017 | Verfahrenstechnologie

Jenaer Wissenschaftler für Prostatakrebs-Forschung ausgezeichnet

11.12.2017 | Förderungen Preise

Der Buche in die Gene schauen - Vollständiges Genom der Rotbuche entschlüsselt

11.12.2017 | Biowissenschaften Chemie