Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Forscher beobachten wachsende Nanodrähte live

08.02.2018

An DESYs Röntgenlichtquelle PETRA III haben Wissenschaftler das Wachstum winziger Drähte aus Galliumarsenid live verfolgt. Die Beobachtungen zeigen genaue Details der Wachstumsprozesse, die für Form und Kristallstruktur der kristallinen Nanodrähte verantwortlich sind. Diese Erkenntnisse bieten auch neue Ansätze, zukünftig Nanodrähte mit speziellen Eigenschaften für bestimmte Anwendungen maßzuschneidern. Die Forscher um Philipp Schroth von der Universität Siegen und dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) stellen ihre Arbeit im Fachblatt „Nano Letters“ vor.

Galliumarsenid (GaAs) ist ein breit verwendeter Halbleiterwerkstoff, der beispielsweise in Infrarotfernbedienungen, in der Hochfrequenztechnik für Handys, für die Umwandlung von elektrischen Signalen in Licht für Glasfaserkabel und auch für Solarzellen in der Raumfahrt eingesetzt wird.


Einzelner Nanodraht mit Gallium-Tropfen unter dem Raster-Elektronenmikroskop des DESY NanoLabs.

Bild: DESY, Thomas Keller


Nadel-Wald: Nanodrähte unter dem Rasterelektronenmikroskop des DESY NanoLabs

Bild: DESY, Satishkumar Kulkarni/Thomas Keller

Für die Herstellung der Drähte nutzen die Wissenschaftler den sogenannten selbstkatalysierenden Vapour-Liquid-Solid-Prozess (VLS-Prozess). Dabei werden zuerst winzige flüssige Galliumtröpfchen auf einen rund 600 Grad Celsius heißen Siliziumkristall aufgebracht. Danach wird dieser Wafer mit gerichteten Strahlen aus Galliumatomen und Arsenmolekülen bedampft, die sich in den Galliumtröpfchen auflösen.

Nach einer gewissen Zeit setzt das Kristallwachstum der Nanodrähte unterhalb der Tröpfchen ein, wobei die Tröpfchen Schritt für Schritt nach oben geschoben werden. Die Galliumtröpfchen wirken hierbei als Katalysator für das Längenwachstum der Drähte. „Dieser Prozess ist zwar recht etabliert, bisher lässt sich die Kristallstruktur so hergestellter Nanodrähte allerdings noch nicht gezielt steuern. Um dies zu erreichen, müssen erst die Details des Wachstums verstanden werden“, betont Ko-Autor Ludwig Feigl vom KIT.

Um den Wachstumsprozess live zu beobachten, installierte die Gruppe um Schroth eine mobile, speziell für Röntgenuntersuchungen entwickelte und vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) finanziell unterstützte Versuchskammer des KIT im brillanten Röntgenstrahl von DESYs Forschungslichtquelle PETRA III. Im Minutentakt machten die Forscher Röntgenaufnahmen an der Messstation P09, mit denen sich gleichzeitig die interne Struktur und der Durchmesser der wachsenden Nanodrähte bestimmen lassen.

Ergänzend dazu vermaßen die Wissenschaftler die fertiggestellten Nanodrähte mit dem Rasterelektronenmikroskop des DESY NanoLabs. „Um solche komplexen Messungen überhaupt durchführen zu können, haben wir die Wachstumsbedingungen zuvor über einen Zeitraum von sechs Monaten am UHV Analysis Lab des KIT weitestgehend optimiert“, erklärt Ko-Autor Seyed Mohammad Mostafavi Kashani von der Universität Siegen.

In etwas mehr als vier Stunden wuchsen die Drähte auf eine Länge von rund 4000 Nanometern heran. Ein Nanometer (nm) ist ein millionstel Millimeter. Dabei wurden die Drähte allerdings nicht nur länger, sondern auch dicker: Ihr Durchmesser stieg von anfangs rund 20 nm auf bis zu 140 nm an der Spitze des Drahtes, womit sie immer noch rund 500 Mal dünner sind als ein menschliches Haar.

„Spannenderweise zeigten die elektronenmikroskopischen Abbildungen eine etwas andere Form der Nanodrähte“, sagt Ko-Autor Thomas Keller vom DESY NanoLab. Zwar waren die Drähte – in Übereinstimmung mit den Röntgendaten – oben dicker als unten an der Kontaktfläche zum Substrat. Allerdings war der im Elektronenmikroskop gemessene Durchmesser im unteren Teil des Drahts größer als mittels Röntgenstrahlung beobachtet.

„Wir haben herausgefunden, dass für das Wachstum der Nanodrähte nicht nur der VLS-Prozess verantwortlich ist, sondern auch eine zweite Komponente, die wir in diesem Experiment erstmals direkt beobachten und quantifizieren konnten“, erklärt Schroth. „Dieses sogenannte Seitenwand-Wachstum lässt die Drähte zusätzlich in die Breite wachsen.“ Unabhängig vom VLS-Prozess lagert sich aufgedampftes Material vor allem im unteren Teil des Nanodrahts direkt an den Seitenwänden an. Aus dem Vergleich der Röntgenmessung zu einem frühen Zeitpunkt des Wachstums mit der elektronenmikroskopischen Messung am Ende des Wachstums lässt sich dieser zusätzliche Beitrag bestimmen.

Außerdem werden im Laufe des Wachstumsprozesses die Galliumtröpfchen durch das fortwährende Aufdampfen von weiterem Gallium kontinuierlich größer. Damit verändert sich aber auch deren Form, welche die Forscher mit Hilfe von Wachstumsmodellen ableiten konnten. Das hat einen weitreichenden Effekt: „Mit der Tröpfchengröße ändert sich der Kontaktwinkel zwischen den Tröpfchen und der Oberfläche der Drähte. In bestimmten Fällen führt das dazu, dass der Draht plötzlich in einer anderen Kristallstruktur weiterwächst“, sagt Feigl. Während die feinen Drähte zunächst in einer hexagonalen, sogenannten Wurtzit-Struktur kristallisierten, änderte sich dieses Verhalten nach einiger Zeit, und die Drähte wuchsen in einer kubischen Zinkblende-Struktur weiter. Diese Änderung ist für Anwendungen wichtig, da die Struktur und die Form der Nanodrähte große Auswirkungen auf die Materialeigenschaften haben.

Mit diesen detaillierten Erkenntnissen lässt sich das Wachstum nicht nur besser verstehen, sie bieten auch Ansätze, zukünftig Nanodrähte mit speziellen Eigenschaften für bestimmte Anwendungen maßzuschneidern – etwa um den Wirkungsgrad einer Solarzelle oder eines Lasers zu erhöhen.

Diese Arbeit ist auch Teil der strategischen Zusammenarbeit der beiden Helmholtz-Zentren KIT und DESY, die diese Forschung im Rahmen des Helmholtz-Programms „From Matter to Materials and Life“ (MML) vorantreiben.

DESY zählt zu den weltweit führenden Beschleunigerzentren und erforscht die Struktur und Funktion von Materie – vom Wechselspiel kleinster Elementarteilchen, dem Verhalten neuartiger Nanowerkstoffe und lebenswichtiger Biomoleküle bis hin zu den großen Rätseln des Universums. Die Teilchenbeschleuniger und die Nachweisinstrumente, die DESY an seinen Standorten in Hamburg und Zeuthen entwickelt und baut, sind einzigartige Werkzeuge für die Forschung. DESY ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft und wird zu 90 Prozent vom Bundesministerium für Bildung und Forschung und zu 10 Prozent von den Ländern Hamburg und Brandenburg finanziert.


Originalveröffentlichung
Radial Growth of Self-Catalyzed GaAs Nanowires and the Evolution of the Liquid Ga-Droplet Studied by Time-Resolved in situ X‐ray Diffraction; Philipp Schroth, Julian Jakob, Ludwig Feigl, Seyed Mohammad Mostafavi Kashani, Jonas Vogel, Jörg Strempfer, Thomas F. Keller, Ullrich Pietsch, and Tilo Baumbach; „Nano Letters”, 2018; DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b03486

Wissenschaftliche Ansprechpartner
Dr. Philipp Schroth
Universität Siegen und KIT
Tel. +49 721 608-23085
Philipp.Schroth@kit.edu

Dr. Ludwig Feigl
KIT
Tel. +49 721 608 28124
ludwig.feigl@kit.edu

PD Dr.-Ing. habil. Thomas F. Keller
DESY NanoLab
Tel. +49 40 8998-6010
thomas.keller@desy.de

Weitere Informationen:

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.7b03486 - Originalveröffentlichung
https://www.desy.de/e409/e116959/index_ger.html?openDirectAnchor=1341&two_co... - Text und Bildmaterial im Web

Dr. Thomas Zoufal | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Wuppertaler Forscher messen vom Weltraum aus die Temperatur der oberen Atmosphäre
18.01.2019 | Bergische Universität Wuppertal

nachricht Wie Moleküle im Laserfeld wippen
17.01.2019 | Forschungsverbund Berlin e.V.

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: Ten-year anniversary of the Neumayer Station III

The scientific and political community alike stress the importance of German Antarctic research

Joint Press Release from the BMBF and AWI

The Antarctic is a frigid continent south of the Antarctic Circle, where researchers are the only inhabitants. Despite the hostile conditions, here the Alfred...

Im Focus: Ultra ultrasound to transform new tech

World first experiments on sensor that may revolutionise everything from medical devices to unmanned vehicles

The new sensor - capable of detecting vibrations of living cells - may revolutionise everything from medical devices to unmanned vehicles.

Im Focus: Fliegende optische Katzen für die Quantenkommunikation

Gleichzeitig tot und lebendig? Max-Planck-Forscher realisieren im Labor Erwin Schrödingers paradoxes Gedankenexperiment mithilfe eines verschränkten Atom-Licht-Zustands.

Bereits 1935 formulierte Erwin Schrödinger die paradoxen Eigenschaften der Quantenphysik in einem Gedankenexperiment über eine Katze, die gleichzeitig tot und...

Im Focus: Flying Optical Cats for Quantum Communication

Dead and alive at the same time? Researchers at the Max Planck Institute of Quantum Optics have implemented Erwin Schrödinger’s paradoxical gedanken experiment employing an entangled atom-light state.

In 1935 Erwin Schrödinger formulated a thought experiment designed to capture the paradoxical nature of quantum physics. The crucial element of this gedanken...

Im Focus: Implantate aus Nanozellulose: Das Ohr aus dem 3-D-Drucker

Aus Holz gewonnene Nanocellulose verfügt über erstaunliche Materialeigenschaften. Empa-Forscher bestücken den biologisch abbaubaren Rohstoff nun mit zusätzlichen Fähigkeiten, um Implantate für Knorpelerkrankungen mittels 3-D-Druck fertigen zu können.

Alles beginnt mit einem Ohr. Empa-Forscher Michael Hausmann entfernt das Objekt in Form eines menschlichen Ohrs aus dem 3-D-Drucker und erklärt: «Nanocellulose...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Smarte Sensorik für Mobilität und Produktion 4.0 am 07. Februar 2019 in Oldenburg

18.01.2019 | Veranstaltungen

16. BF21-Jahrestagung „Mobilität & Kfz-Versicherung im Fokus“

17.01.2019 | Veranstaltungen

Erstmalig in Nürnberg: Tagung „HR-Trends 2019“

17.01.2019 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Zeitwirtschafts- und Einsatzplanungsprozesse effizient und transparent gestalten mit dem Workforce Management System der GFOS

18.01.2019 | Unternehmensmeldung

Der Schlaue Klaus erlaubt keine Fehler

18.01.2019 | Informationstechnologie

Neues Verfahren zur Grundwassersanierung: Mit Eisenoxid gegen hochgiftige Stoffe

18.01.2019 | Verfahrenstechnologie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics