Neuer superharter Halbleiter aus Verbundstoff hergestellt

Hart wie Diamant – für neue technische Anwendungen in der Mikroelektronik interessant

Materialforschern am Bayerischen Geoinstitut der Universität Bayreuth ist zusammen mit Kollegen der Universität Paris-Nord die Herstellung eines neuen superharten Verbundstoffes aus Bor-Karbid und Bor-haltigem Diamant gelungen. Zur Synthese des neuartigen Stoffes unter sehr hohen Drücken und Temperaturen (200 kbar und über 2000 Grad Celsius) wurde von den Bayreuther Wissenschaftlern Dr. Natalia Dubrovinskaia und Dr. Leonid Dubrovinsky die in Europa einzigartige 5000-Tonnen- Vielstempel-Presse des Bayerischen Geoinstituts eingesetzt. Das viel versprechende Verbundmaterial besitzt eine extreme Härte wie Diamant und wird für neue technische Anwendungen in der Mikroelektronik von besonderem Interesse sein. Über die Ergebnisse ihrer erfolgreichen Experimente berichten die Forscher derzeit in den international renommierten Fachzeitschriften Applied Physics Letters und Nature Materials.

Bisher werden Diamanten wegen ihrer einzigartigen physikalischen und chemischen Eigenschaften für verschiedene technologische und experimentelle Anwendungen eingesetzt. Diamant wird besonders wegen seiner großen Härte, seiner hohen thermischen Leitfähigkeit, seiner hohen Elektronen- und Leerstellen-Mobilität im Kristallgitter und seiner Resistenz gegenüber chemischen Reaktionen geschätzt. Auf dem Gebiet der Elektrotechnik/Elektronik steigt die Nachfrage nach Diamanten und diamantähnlicher Materie ständig. Zwar werden Materialien auf Diamantbasis in absehbarer Zeit Silizium in der Mikroelektronik nicht verdrängen, jedoch ermöglichen mikroelektronische Bauteile auf Diamantbasis den Einsatz unter extremeren Bedingungen (zum Beispiel in erheblich höheren Temperaturbereichen) als entsprechende Chips aus Silizium.

Reiner Diamant stellt einen perfekten Isolator für elektrischen Strom dar. Aber wie Silizium kann Diamant durch Spuren von Bor oder Stickstoff im Kristallgitter zum Halbleiter werden. Aufgrund seiner Eigenschaften ist jedoch die künstliche “Verunreinigung” von Diamant wie auch seine mechanische oder elektrochemische Bearbeitung sehr problematisch.

Diese Nachteile gleicht das neue Bor/Kohlenstoff-Verbundmaterial aus. Die Bayreuther Ergebnisse zeigen, dass Materie mit einer Diamant entsprechenden Härte nicht ausschließlich monomineralisch, d.h. aus einem einzigen Mineral, aufgebaut sein muss. Aufgrund seiner Halbleitereigenschaften lässt sich das neue Material trotz seiner großen Härte präzise bearbeiten, sodass es in der Hochleistungs- und Hochfrequenz-Elektronik und dort, wo sehr exakt geformte Feinwerkzeuge gefordert sind, Einsatzgebiete finden wird.

Innovative Entwicklungen bei der Herstellung neuer harter und ultra-harter Materie im Labor erfordern neue Techniken und Methoden zur Bestimmung der Härte der unterschiedlichen Materialien. Neue Verbundstoffe und Materialien, die härter als Diamant sind, lassen sich mit den bestehenden Härteskalen, die auf relativen Härtegraden beruhen, nicht mehr charakterisieren. Das bekannteste Beispiel für die bisherige Einstufung ist die Mohs’sche Härteskale mit dem Diamant (Härte 10) am oberen Skalenende.

Jetzt hat eine Gruppe Wissenschaftler, zu denen auch Frau Dr. Dubrovinskaia gehört, im Rahmen eines internationalen Arbeitstreffens neue, komplexere Methoden für eine moderne Härtebestimmung erarbeitet und vorgestellt, die auch die neuen Verbundwerkstoffe erfasst und auch für Härtegrade angewendet werden kann, die oberhalb der Diamanthärte liegen.

Literaturangaben:
V. Solozhenko, N.A. Dubrovinskaia, L.S. Dubrovinsky.
Synthesis of bulk superhard semiconducting B–C material.
Applied Physics Letters, 2004,
85, 9, 1508- 1510.

V. Brazhkin, N. Dubrovinskaia, M. Nicol, N. Novikov, R. Riedel, V. Solozhenko, and Y. Zhao
What does ”Harder than Diamond” mean?
Nature Materials, 2004, 3, 576- 577.