Mechanisch verspannte Nanodrähte

Viele der modernen Technologien beruhen auf Materialien mit verringerter Dimensionalität, wie dünnen Schichten (2D), Nanodrähten (1D) oder Quantenpunkten (0D). In den letzten 30 Jahren sind sowohl in der Herstellung dieser Nanostrukturen als auch deren Anwendungen große Erfolge erzielt worden. Obwohl diese Strukturen aufgrund ihrer ausgezeichneten elektrischen und optischen Eigenschaften größtes wissenschaftliches Interesse hervorgerufen haben, sind Untersuchungen zur Auswirkung von hohen mechanischen Belastung auf deren elektronischen und optischen Eigenschaften kaum publiziert worden. Mit ein Grund dafür sind die experimentellen Schwierigkeiten unter hohen Spannungsbelastungen in situ elektrische oder optische Messungen durchzuführen. Um nun diese Untersuchungen an hochverspannten Materialien zu ermöglichen kombinieren wir (a) im personellen Bereich zwei renommierte Forschergruppen aus Japan und Österreich, sowie (b) im wissenschaftlichen Bereich "bootom up" und "top down" Technologien: Selbstorganisierte Nanodrahtsynthese und ein hochentwickeltes elektrostatisch aktiviertes Dehnungsmodul. Diese Kombination ermöglicht es erstmals gleichzeitig die elektrischen und optischen Eigenschaften von extrem verspannten Nanodrähten zu untersuchen. Diese Nanodrähte können mit dem sogenannten "vapor-liquid-solid" Verfahren einkristallin und mit gut deffinierter Geometrie monolithisch in das elektrostatisch aktivierte Dehnungsmodul integriert werden. Solche Nanodrähte sind weitgehend frei von ausgedehnten Volumendefekten und können extrem hohe Spannungen aushalten ohne Bildung von Defekten oder Rissen, die bei Bulkmaterialien soche Untersuchungen unmöglich machen. An solchen extrem verspannten Nanodrähten, können dann in-situ elektronen-mikroskopische-, -Raman- und photolumineszenzuntersuchungen und auch temperatur-abhängig elektrische Transportuntersuchungen durchgeführt werden. Im Rahmen von NANOTEST sollen vor allem 3 Materialgruppen untersucht werden: (i) Si-, Ge und SiC- Nanodrähte, (ii) die jeweiligen Silicide und Germanide von Pt, Ni und Co und (iii) axiale Nanodrahtheterostrukturen wie NiSi/Si/NiSi-Nanodrähte. Der Hauptfokus dieses Projektes ist die Untersuchung der Wechselbeziehung zwischen Belastung und Funktionalität des NWs, im Hinblick auf neue elektronische, photonische oder ferroische Bauelemente. Ein langfristiges Ziel des Projektes umfaßt die Realisierung eines Prototyps eines siliziumkompatiblen Dehnungsmessmodules oder eines neuartigen piezoelektrischen MOSFET- Bauteils.

Viele der modernen Technologien beruhen auf Materialien mit verringerter Dimensionalität, wie dünnen Schichten (2D), Nanodrähten (1D) oder Quantenpunkten (0D). Insbesondere Halbleiter-Nanodrähte stellen aufgrund ihrer ausgezeichneten optischen und elektronischen Eigenschaften eine vielversprechende Klasse nanostrukturierter Materialien dar. Obwohl Si und Ge Nanodrähte aufgrund ihrer ausgezeichneten elektrischen Eigenschaften größtes wissenschaftliches Interesse hervorgerufen haben, sind Untersuchungen zur Auswirkung von hohen mechanischen Belastungen auf deren elektronischen und optischen Eigenschaften kaum untersucht worden. Mit ein Grund dafür sind die experimentellen Schwierigkeiten unter hohen Spannungsbelastungen in situ elektrische oder optische Messungen durchzuführen.Um diese Untersuchungen an hochverspannten Materialien zu ermöglichen kombinierten wir (a) im personellen Bereich zwei renommierte Forschergruppen aus Japan und Österreich, sowie (b) im wissenschaftlichen Bereich bootom up und top down Technologien: Selbstorganisierte Nanodrahtsynthese und ein hochentwickeltes elektrostatisch aktiviertes Dehnungsmodul. Diese Kombination ermöglichte es erstmals gleichzeitig die elektrischen und optischen Eigenschaften von extrem verspannten Nanodrähten zu untersuchen.Diese wurden mit dem sogenannten vapor-liquid-solid Verfahren einkristallin und mit gut definierter Geometrie monolithisch in das elektrostatisch aktivierte Dehnungsmodul integriert. Solche VLS gewachsenen Nanodrähte sind weitgehend frei von ausgedehnten Volumen-defekten und können extrem hohe Längsdehnungen bis zu 6% ohne Bildung von Defekten oder Rissen aushalten, die bei Bulkmaterialien solche Untersuchungen unmöglich machen. An solchen extrem verspannten Nanodrähten, konnten wir in-situ elektronenmikroskopische--Raman- und Photolumineszenzuntersuchungen und auch temperatur-abhängig elektrische Transportuntersuchungen durchgeführten. Im Rahmen von NANOTEST wurden vor allem Si- und Ge Nanodrähte aber auch CdS und Si/Ge core/shell Strukturen untersucht. Der Hauptfokus dieses Projektes ist dabei die Untersuchung der Wechselbeziehung zwischen Belastung und Funktionalität des NWs, im Hinblick auf neue elektronische oder photonische Anwendungen.Für Si und Ge Nanodrähte konnte etwa gezeigt werden, dass durch eine mechanische Verspannung von 3% die Leitfähigkeit um das 5 bzw. mehr als das 10 fache erhöht werden kann. Dies konnte auch theoretisch durch eine Veränderung der Oberflächenstörstellen und damit der Ladungsträgermobilität erklärt werden. Dies zeigt die Möglichkeit einer anwendungsspezifischen Oberflächenkonditionierung von Si Nanodrähten und damit die Modulationsfähigkeit der elektrischen Eigenschaften für Sensoranwendungen.Für Optikanwendungen sind vor allem direkte Halbleiternnaodrähte von besonderem Interesse. So konnte etwa an ZnO Nanodrähten, ultraschnellmodulierbare Laseremission gezeigt werden. Das Emissionsspektrum ist dabei durch die Bandlücke des Gainmaterials bestimmt. Durch mechanische Verspannung soll es auch hier möglich sein das Bandgap und damit das Spektrum des emittierten Laserlichtes kontrolliert zu verändern. In Kooperation mit der Arbeitsgruppe von Carsten Ronning (Univ. Jena), konnte durch Integration von CdS Nanodrähten in das Verspannungsmodul, ein dynamisch durchstimmbarer, kohärenter Nanodrahtlaser realisiert werden. Ebenfalls konnte durch gezielte Modifikation der Bandstruktur an Ge Nanodrähten anhand eines Prototypen das Prinzip einer völlig neuartigen Solarzelle demonstriert werden. Die notwendige Ladungstrennung wird dabei nicht durch die Dotierung im Substrat erzielt, sondern durch einen Gradienten in der Bandstruktur aufgrund der Verspannung der konisch geformten Ge Nanodrähten.