Themen: HZB-Eigenforschung (99)

Science Highlight    22.02.2018

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.
Copyright: S. Schmitt/HZB

Hier sind die sechs optische Resonanzmoden gezeigt, die in einem Rhombendodekaeder entlang zwei verschiedener Querschnitte möglich sind.
Copyright: 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

arö


           



Das könnte Sie auch interessieren
  • <p>Ein erster Laserpuls (gr&uuml;n) regt die Elektronen im Cu<sub>2</sub>O an; Bruchteile von Sekunden sp&auml;ter folgt ein zweiter Laserpuls (UV-Licht), um die Energie des angeregten Elektrons zu messen.</p>SCIENCE HIGHLIGHT      09.05.2019

    Photokathoden aus Kupferoxid: Laserexperiment zeigt Ursachen für hohe Verluste

    Kupferoxid könnte in Solarzellen oder als Photokathode für die solare Energieumwandlung theoretisch hohe Wirkungsgrade ermöglichen. Praktisch aber kommt es zu großen Verlusten. Nun konnte ein Team am HZB mit einem raffinierten Femtosekunden-Laserexperiment aufklären, wo diese Verluste stattfinden: Sie treten weniger an den Grenzflächen auf, sondern vielmehr bereits im Innern des kristallinen Materials. Diese Ergebnisse geben Hinweise, um Kupferoxid und andere Metalloxide für Anwendungen als Energiematerialien zu optimieren. [...]


  • <p>Die Tomographie einer neuwertigen Lithium-Elektrode.</p>SCIENCE HIGHLIGHT      06.05.2019

    3D-Tomographien zeigen, wie Lithium-Akkus altern

    Lithium-Akkus verlieren mit der Zeit an Kapazität. Bei jeder neuen Aufladung können sich Mikrostrukturen an den Elektroden bilden, die die Kapazität weiter reduzieren. Nun hat ein HZB-Team zusammen mit Batterieforschern aus dem Forschungszentrum Jülich, der Universität Münster und Partnern aus Forschungseinrichtungen in China den Prozess der Degradation von Lithium-Elektroden erstmals im Detail dokumentiert. Dies gelang ihnen mithilfe eines 3D-Tomographieverfahrens mit Synchrotronstrahlung an BESSY II (HZB) sowie am Helmholtz-Zentrum Geesthacht (HZG). Ihre Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift Materials Today veröffentlicht (Open Access). [...]


  • <p></p> <p>Durch Ko-Verdampfung von C&auml;siumiodid und&nbsp; Bleiiodid&nbsp; lassen sich d&uuml;nne Schichten aus CsPbI<sub>3</sub> auch bei moderaten Temperaturen herstellen. Ein C&auml;sium-&Uuml;berschuss f&uuml;hrt zu stabilen Perowskit-Phasen.</p>SCIENCE HIGHLIGHT      29.04.2019

    Anorganische Perowskit-Absorber für den Einsatz in Dünnschicht-Solarzellen

    Einem Team am Helmholtz-Zentrum Berlin ist es gelungen, durch Ko-Verdampfung anorganische Perowskit-Dünnschichten bei moderaten Temperaturen herzustellen – ein Nachtempern bei hohen Temperaturen entfällt. Dadurch lassen sich Dünnschichtsolarzellen aus diesem Material deutlich leichter herstellen. Anorganische Perowskite sind im Gegensatz zu den hybriden metallorganischen Perowskiten thermisch stabiler. Die Arbeit ist im Fachjournal Advanced Energy Materials veröffentlicht. [...]




Newsletter