Materialforscher klären, wie Nanostrukturen in Zinkoxid durch gezielte Dotierung beeinflusst werden

Durch die Zugabe von geeigneten Dotierungselementen lassen sich Materialstrukturen und –eigenschaften wie elektrische Leitfähigkeit, Lumineszenz oder Ferromagnetismus beeinflussen und optimieren. Sie sind abhängig von der Lage der Dotierungselemente im Zinkoxid-Gitter.

Wissenschaftler am INM – Leibniz-Institut für Neue Materialien haben nun herausgefunden welchen Einfluss zusätzliche Eisen- oder Indium-Ionen auf das Atomgitter des Zinkoxids haben.

Diese Erkenntnisse wurden jüngst in der Fachzeitschrift Ultramicroscopy veröffentlicht.

Die Wissenschaftler fanden heraus, dass dreiwertige Eisen- oder Indium-Ionen sich nicht statistisch regellos im ZnO-Kristall verteilen, sondern sich auf separaten Schichten innerhalb des Zinkoxids ausbilden. Diese „eingeschobenen“ Schichten, die jeweils aus einer einzigen Lage von Ionen bestehen, verändern die Struktur des gesamten Zinkoxids: Wo sich vorher Lagen von Zink- und Sauerstoff-Ebenen in der Reihenfolge abwechselten, führt die Präsenz einer Monolage von Dotierungsionen zu einem Stapelfehler und es wechseln sich nun Sauerstoff und Zink ab. „Das klingt zwar banal, bedeutet aber für das gesamte Gitter eine Umstrukturierung“, erklärt Herbert Schmid, Elektronenmikroskopiker am INM.

In Zinkoxid mit hexagonaler Kristallstruktur wird an diesen Grenzflächen die Richtung der c-Achse in die entgegengesetzte Orientierung gedreht; die atomaren Schichten der Dotierungselemente bilden sogenannte Inversions-Domänengrenzen. Gleichzeitig konnten die Forscher zeigen, dass sich diese Grenzflächen periodisch im Kristall anordnen und deren Abstand sich verändert, je nachdem, wie viele Dotierungselemente sich im Gitter befinden. „Die Abstände der Schichten werden kleiner, je mehr Eisen oder Indium in das Gitter aufgenommen wird“, sagt Schmid, „der Abstand dieser Defektebenen ist somit ein direktes Maß für die lokale Konzentration von Dotierungselementen.“

Außerdem wiesen die Wissenschaftler nach, dass die dreiwertigen Eisen- oder Indium-Ionen von je sechs Sauerstoff-Ionen umgeben sind und somit auf Oktaeder-Plätzen sitzen, während das zweiwertige Zink tetraedrisch koordiniert ist. Zur Analyse benutzten die Wissenschaftler ein hochauflösendes Raster-Transmissions-Elektronenmikroskop (TEM/STEM). Damit ist es möglich, Atome und Ionen abzubilden und mittels Elektronen-Spektroskopie Rückschlüsse auf die elektronischen Ladungen der einzelnen Ionen zuzulassen. Erst dadurch konnten die Wissenschaftler bisher lediglich berechnete Atom-, Ionen- und Schichtabstände wirklich nachmessen und bestätigen.

„Wie sich durch die Platzverteilung der Dotierungs-Elemente die elektrischen und optischen Eigenschaften des Zinkoxids verändern, können wir zurzeit noch nicht im Detail voraussagen. Aber wir können durch unsere Mikroskopiemethoden wirklich sehen, wo sich die einzelnen Ionen befinden und deren Auswirkungen auf das Zinkoxid-Gitter festmachen“, fasst der Mitarbeiter der Forschungsgruppe Innovative Elektronenmikroskopie die gewonnenen Erkenntnisse zusammen.

Für ihre Untersuchungen benutzten die Forscher am INM und der Uni-Bonn neben Eisen und Indium in Zinkoxid auch Dotierungen mit Zinn, Gallium und Antimon mit ähnlichen Ergebnissen. Zur Synthese der untersuchten Materialien wurden Eisen- oder Indiumoxid-Pulver in unterschiedlichen Verhältnissen mit Zinkoxid-Pulver gemischt und bei 1350°C gesintert. Dünne Präparate für die TEM/STEM Untersuchungen erhielten die Forscher mittels Schleifen, Polieren und über Ionen-Dünnung.

Originalpublikation: H. Schmid, E. Okunishi, W. Mader, „Defect structures in ZnO studied by high-resolution structural and spectroscopic imaging“, Ultramicroscopy 127 (2013) 76-84, DOI: 10.1016/j.ultramic.2012.07.014

Ansprechpartner:
Dr. Herbert Schmid
INM – Leibniz-Institut für Neue Materialien
Programmbereich Innovative Elektronenmikroskopie
Tel: 0681-9300-113
E-Mail:herbert.schmid@inm-gmbh.de

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