Leuchtende Nanoarchitekturen aus Galliumarsenid
Der GaAs-Nanokristall hat sich als Dodekaeder auf einer Silizium-Germanium-Nadel abgeschieden, zeigt diese Rasterelektronenmikroskopie. Zur besseren Unterscheidbarkeit sind die rhombischen Außenflächen eingefärbt. © S. Schmitt/HZB
Hier sind die sechs optische Resonanzmoden gezeigt, die in einem Rhombendodekaeder entlang zwei verschiedener Querschnitte möglich sind. © HZB
Einem Team am HZB ist es gelungen, Nanokristalle aus Galliumarsenid auf winzigen Säulen aus Silizium und Germanium aufzuwachsen. Damit lassen sich auf der Basis von Siliziumchips sehr effiziente Bauelemente in für die Optoelektronik interessanten Frequenzbereichen realisieren.
Halbleiter aus Galliumarsenid besitzen im Vergleich zu Silizium deutlich bessere optoelektronische Eigenschaften. Diese Eigenschaften lassen sich mit Nanostrukturierungen gezielt beeinflussen. Eine besonders interessante Nanostrukturierung ist nun dem Team um Dr. Sebastian Schmitt und Prof. Dr. Silke Christiansen gelungen. Aus Australien hatten sie einen Silizium-Wafer erhalten, der mit einer überraschend kristallinen Germaniumschicht bedeckt war. Germanium besitzt nahezu die gleiche Gitterkonstante wie Galliumarsenid und bietet sich daher als ideale Unterlage an.
Nanokristalle auf Nadeln
In diesen Wafer ätzten sie im Abstand von einigen Mikrometern tiefe Gräben ein, bis nur noch eine Reihe feiner Siliziumsäulen mit einem Häubchen aus Germanium auf dem Substrat stehenblieb. Galliumarsenid wurde dann mit metallorganischer Gasphasenepitaxie abgeschieden. So lagerten sich systematisch Gallium- und Arsenatome auf dem Germaniumhäubchen ab, und bildeten einen winzigen, nahezu perfekten Kristall. „Das Germanium wirkt hier wie ein Kristallisationskeim“, erklärt Schmitt, Erstautor der Arbeit, die nun in Advanced Optical Materials erschienen ist.
Die Nanoarchitektur sieht unter dem Elektronenmikroskop spektakulär aus. Auf den ersten Blick meint man, auf jeder Siliziumnadel einen Würfel zu erkennen, der auf der Spitze steht. Auf den zweiten Blick zeigt sich: Es ist in Wirklichkeit ein Rhombendodekaeder - jede der zwölf Flächen ein identischer Rhombus.
Entscheidende Parameter: Geometrie und Größe
Tatsächlich zeigte diese Nano-Struktur nach Anregung mit einem Laser eine außergewöhnlich starke Lichtemission, und zwar insbesondere im nahinfraroten Bereich. „Während des Wachstums der GaAs-Kristalle werden auch Germanium-Atome in das Kristallgitter eingebaut“, erklärt Schmitt. Dieser Einbau von Germanium führt zu zusätzlichen Energieniveaus für Ladungsträger, die beim Zurückfallen auf ihre ursprünglichen Niveaus Licht abgeben. Dieses Licht wird in optischen Resonanzen des hochsymmetrischen Nanokristalls verstärkt, und die Frequenz dieser Resonanzen lässt sich über Größe und Geometrie der Kristalle gezielt steuern. Im Experiment konnte eine Vielzahl dieser optischen Resonanzen nachgewiesen werden, die auch gut mit den numerischen Berechnungen übereinstimmen.
Neuartige Sensoren, LED oder Solarzellen
„Weil sich die optischen und elektronischen Eigenschaften von Halbleitern durch Nanostrukturierung stark modifizieren lassen, eignen sich solche Materialarchitekturen hervorragend dazu, neuartige Sensoren, Leuchtdioden oder Solarzellen zu entwickeln“, sagt Schmitt.
Zur Publikation in Advanced Optical Materials (2018):"Germanium template assisted integration of gallium arsenide nanocrystals on silicon: a versatile platform for modern optoelectronic materials"; S. W. Schmitt, G. Sarau, C. Speich,G. H. Döhler, Z. Liu, X. Hao, S. Rechberger, C. Dieker, E. Spiecker, W. Prost, F. J. Tegude, G. Conibeer, M. A. Green and S. H. Christiansen.
Doi: 10.1002/adom.201701329
- Grüner Wasserstoff mit PEC-Elektrolyseuren: Die Transportprozesse im BlickEine Option, um die Energie des Sonnenlichts zu speichern, ist die Erzeugung von Wasserstoff in PEC-Elektrolyseuren. Die Aufskalierung dieser Technologie ist allerdings noch eine Herausforderung. Ein Team am HZB-Institut für Solare Brennstoffe hat nun mit 2D-Fluoreszenz-Bildgebung und Partikelvelozimetrie beobachtet, wie sich Ionen und gelöste Gase im Elektrolyten während der Elektrolyse bewegen. Die Einblicke sind neu und können bei der Entwicklung von größeren PEC-Elektrolyseuren nützlich sein.
- Neues Kontaktmaterial steigert Wirkungsgrad von Perowskit-SolarzellenEin neu entwickeltes Material für den Elektronenkontakt verbessert die Wirkungsgrade von Perowskit-Einzelsolarzellen und Perowskit/Silizium Tandemsolarzellen. Das neue Material basiert auf einem Carboran-Molekül und bietet gegenüber dem bisher genutzten Standardmaterial aus so genannten Fußballmolekülen eine Reihe von Vorteilen, zeigt die Studie, die federführend von einem Team um Steve Albrecht erarbeitet wurde. Inzwischen ist das Material patentiert und kommerziell erhältlich.
- BESSY II: Neue Probenumgebung erlaubt Einblick in thermokatalytische ProzesseEine neuartige Messzelle ermöglicht erstmals Untersuchungen mit weicher und harter Röntgenstrahlung unter hohen Drücken von bis zu 20 bar und Temperaturen von bis zu 400 °C. Dies liefert neue Erkenntnisse über thermokatalytische Prozesse, wie beispielsweise die Fischer-Tropsch-Synthese zur Herstellung synthetischer Kraftstoffe. Die Entwicklung der Messzelle gilt als Meilenstein im Rahmen des Care-O-Sene-Projekts.