Ultradünne Drähte aus Silizium wachsen zu lassen – das ist heute ein wichtiges Ziel in der Materialwissenschaft. Silizium-Drähte im Nanometerbereich haben ganz spezielle chemische und physikalische Eigenschaften, die sie zu einem höchst attraktiven Material für Transistoren, Solarzellen oder speziellen LEDs machen. Allerdings sind solche Silizium-Drähte sehr schwer herzustellen. An der Technischen Universität Wien wurde nun eine neue Methode entwickelt, mit Hilfe eines Ionenstrahls die winzigen Silizium-Drähte zum Wachsen zu bringen.

Gold als Wachstumshelfer

Wären wir Menschen so klein wie eine Ameise, hätten unsere Haare umgerechnet etwa die Dicke der Nano-Drähte: Nur etwa hundert Nanometer messen die Silizium-Fädchen, von denen man sich neue Möglichkeiten in der Elektronik verspricht. Theoretisch können diese Silizium-Kristalle ganz von selbst entstehen: Wenn ein kleiner Kristall von siliziumhaltigem Gas umgeben ist, kann er einzelne Atome an sich binden und Schicht für Schicht wachsen. Allerdings dauert das viel zu lang, deshalb beschleunigt man beim heute weit verbreiteten „Vapour-Liquid-Solid-Verfahren“ die Reaktion mit Gold, das als Katalysator wirkt: „Winzige Goldtröpfchen auf den Nanodrähten können Silizium-Atome adsorbieren, und durch das Gold hindurch zum Nanodraht gelangen lassen, wo sich die Atome dann anlagern“, erklärt Alois Lugstein vom Institut für Festkörperelektronik. Allerdings beeinflusst das Gold die elektronischen Eigenschaften der Nanodrähte und vermindert dadurch ihre Leistungsfähigkeit. Auch andere Herstellungsmethoden bringen entscheidende Nachteile mit sich: Manche funktionieren nur bei sehr hohen Temperaturen, andere nur im Ultrahochvakuum.

Gallium-Ionen: Besser als Gold

Elektrotechniker an der TU Wien gehen daher einen anderen Weg – und kommen dabei ohne Gold oder extreme äußere Bedingungen aus: Mit Hilfe eines fokussierten Ionenstrahls werden Gallium-Ionen in einen Siliziumkristall knapp unter der Oberfläche implantiert. Danach wird das Silizium auf 500°C erhitzt, wodurch die Gallium-Ionen an die Oberfläche des Siliziumkristalls wandern. Nun spielen die Gallium-Ionen eine ganz ähnliche Rolle wie die Goldtröpfchen im klassischen „Vapour-Liquid-Solid-Verfahren“. In einer Atmosphäre, die das siliziumhaltige Gas Silan enthält, lagert sich mit Hilfe der Gallium-Ionen das Silizium am Kristall an. Dabei können extreme Wachstumsraten von mehreren Mikrometern pro Minute erreicht werden – für den Nanobereich eine fantastische Wachstumsrate.

Bei dieser Methode kann durch gezielten Beschuss mit Gallium-Ionen präzise festgelegt werden, wo die Nanostrukturen wachsen sollen und wo nicht. Das bewiesen die Wissenschaftler unter anderem dadurch, dass sie einen Smiley aus Nanodrähten wachsen ließen – und dieses Bild schaffte es sogar auf das Titelblatt der renommierten Fachzeitschrift „Nanotechnology“ (siehe Foto).

Quelle: Technische Universität Wien - 19.12.2011.

Originalpublikation: „Ultra-fast vapour-liquid-solid synthesis of Si nanowires using ion-beam implanted gallium as catalyst“, M. Hetzel, A. Lugstein, C. Zeiner, T. Wojcik, P. Pongratz and E. Bertagnolli