Die Pyramiden von Adlershof

Silizium-Germanium-Nanostrukturen am Institut für Kristallzüchtung

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PE 10.06.2004 - Forschungsverbund Berlin e.V. - auch hier zu lesen

Abb. Silizium-Germanium-Pyramiden. Die Kantenlänge einer der Pyramiden beträgt rund 150 Nanometer.

Am Berliner Institut für Kristallzüchtung entstehen ungewöhnliche Gebilde. Sie könnten einen Weg in die Zukunft der Elektronik weisen

Es gibt spitze Pyramiden, und es gibt stumpfe. Allesamt sind sie winzig: Hunderttausende von ihnen würden in einen einzigen i-Punkt in einer Zeitungsmeldung passen. Alle bestehen aus kristallinem Material, einer Mischung aus Silizium und Germanium. Und doch gibt es einen gewichtigen Unterschied. Die Pyramiden ohne Spitze sind ein Exempel für das Erreichen eines hohen Ordnungsgrades durch Selbstorganisation; jene mit der Spitze nicht. Anne-Kathrin Gerlitzke und Torsten Boeck vom Berliner Institut für Kristallzüchtung erklären, wieso die "schöneren" Pyramiden das schlechtere Beispiel sind.

Die beiden Wissenschaftler beschäftigen sich mit dem Wachstum von Halbleiterkristallen. Dabei beobachten sie das Phänomen der Selbstorganisation. Ästhetische Maßstäbe helfen bei der Beurteilung der Perfektion nicht weiter. Denn selbst wenn die Pyramiden, die eine Spitze aufweisen, schöner aussehen, so sieht auch der Laie, dass sie unterschiedlich groß sind und sich recht ungeordnet gruppiert haben. Das zeigen die Bilder, die Anne-Kathrin Gerlitzke gemacht hat, recht deutlich. Auf anderen Bildern dagegen stehen Pyramidenstümpfe - in Reih und Glied, fast wie auf einem Schachbrett. Und das ist eben die hohe Kunst der Kristallzüchter: Sie gestalten die Wachstumsbedingungen so, dass genau jenes Muster entsteht.

Die Züchtung müsse nahe am thermodynamischen Gleichgewicht ablaufen, erläutert Dr. Torsten Boeck, Themenleiter für "Silizium-Germanium-Nanostrukturen" am IKZ. "Hierbei liegen die feste und flüssige Phase nebeneinander vor, etwa wie bei einem eisbedeckten See bei null Grad Celsius. Kleinste Temperaturänderungen bewirken weitere Kristallisation oder Auflösung." Die Nähe zum thermodynamischen Gleichgewicht ist jedoch nicht der einzige Faktor. Um die Pyramidenstümpfe zu erzeugen, müssen die Forscher Verspannungen in die Kristalle einbauen. "Wenn sich die Atome Schicht für Schicht auf einem Substrat anlagern, dann orientieren sie sich am Kristallgitter der Unterlage. Weist dieses einen anderen Abstand zwischen den Atomen auf als die darüberliegende Schicht, dann entstehen Spannungen. "Das Material versucht, dies auszugleichen", sagt Boeck. Es bildet keine homogenen Schichten mehr, sondern Inseln, die nach einem ganz bestimmten Muster weiter wachsen - bis sie eine regelmäßige Anordnung von Pyramidenstümpfen gebildet haben.

Wo liegen die möglichen Anwendungen für solche Strukturen? Zum einen in der Mikroelektronik, antwortet Boeck. Denn die Hersteller von Computerbauteilen kommen mit den herkömmlichen Belichtungsverfahren bei der Chipherstellung an die Grenzen der Miniaturisierung. Zum anderen seien auf der Basis der Pyramidenstümpfe hocheffiziente Leuchtdioden vorstellbar. "Doch unser Verfahren eignet sich nicht zur Produktion solcher Bauteile", schränkt Boeck gleich ein. "Aber wir können wichtige Referenzproben für die Forschung liefern."

Bereits jetzt gibt es Ansätze, Selbstorganisation zur Herstellung von Computerchips zu nutzen. Kürzlich meldete der Elektronikriese IBM, dass Forscher des Konzerns einen Polymerfilm mit regelmäßig angeordneten sechseckigen Öffnungen von etwa 20 Nanometer Durchmesser erzeugten. Diesen Film verwendeten sie als eine Art Maske, um einen Speicher aus Silizium-Nanokristallen herzustellen. In drei bis fünf Jahren solle die Technik in den Produktionsprozess integriert werden, hieß es vor wenigen Monaten. So schnell kann aus Grundlagenforschung angewandte Wissenschaft werden.

Das Institut für Kristallzüchtung (IKZ) züchtet, bearbeitet und charakterisiert Kristalle unter Einsatz zahlreicher unterschiedlicher Methoden. Zugleich entwickelt es Baugruppen für Kristallzüchtungsanlagen und befasst sich mit der numerischen Modellierung der Kristallzüchtung. Das Institut versteht sich als Kompetenzzentrum zu allen wesentlichen naturwissenschaftlichen und technischen Fragen, die die Züchtung und das Wachstum von Volumenkristallen betreffen. Das Institut nimmt eine Servicefunktion wahr, indem es Kristalle, Anlagen und Verfahren für Kooperationspartner und Auftraggeber entwickelt oder bereit stellt. Es ist Teil des Forschungsverbundes Berlin e.V. (FVB).

Weitere Informationen:
Dr. Torsten Boeck, Anne-Kathrin Gerlitzke
Tel.: (030) 63 92 - 30 51 (Boeck), - 28 51 (Gerlitzke)
Web : www.ikz-berlin.de

Silizium veredeln

Am IKZ laufen Experimente, um Solarzellen günstiger als bisher herstellen zu können

PE 07.06.2004 - Forschungsverbund Berlin e.V. - auch hier zu lesen

Der Ölpreis steigt auf Rekordniveau, Experten befürchten schon Gefahren für die Weltwirtschaft. Da wird der Ruf nach erneuerbaren Energien wieder lauter. Die Photovoltaik gehört dazu. Doch es gibt ein großes Problem bei der Erzeugung von elektrischem Strom aus Sonnenlicht: das Kosten-Leistungs-Verhältnis. Daher streben Unternehmen und Wissenschaftler danach, den Wirkungsgrad zu erhöhen oder die Solarzellen günstiger herzustellen. Am Berliner Institut für Kristallzüchtung laufen hierzu mehrere Projekte. Einer der verantwortlichen Wissenschaftler dafür ist Dr. Helge Riemann, Experte für Silizium.

Das Halbleitermaterial Silizium ist der wichtigste Baustoff für die Elektronik ebenso wie für Solarzellen. Seine chemischen und physikalischen Eigenschaften führen dazu, dass eindringendes Licht so genannte Ladungsträgerpaare - negative Elektronen und positive "Löcher" - erzeugt. Die Sonnenstrahlen werden also in elektrische Energie umgewandelt. "Silizium-Solarzellen als Massenprodukt haben einen typischen Wirkungsgrad von 14 bis 16 Prozent", sagt Riemann. Die meisten Solarzellen aus Silizium sind polykristallin, sie bestehen aus vielen Kristallen.

Es wurden aber auch schon Wirkungsgrade von 23 bis 24 Prozent erreicht. "In Japan sogar für Solarzellen aus der Serienfertigung", betont Riemann. Die Steigerung um fünfzig Prozent erfordert jedoch eine fast perfekte Kristallstruktur. Solche "Einkristalle" sind hoch rein und bieten mehr Ausbeute. Sie sind allerdings auch weitaus teurer als herkömmliches Solar-Silizium.

Woran arbeiten nun Riemann und seine Kollegen am IKZ? "Wir wollen kostengünstigere Solarzellen ermöglichen", sagt Riemann. Dabei verfolgt man am IKZ mehrere Ansätze. Zum einen arbeiten die Wissenschaftler daran, blockförmiges Silizium herzustellen. Bislang sind die meisten gezüchteten Kristalle - ob poly- oder einkristallin - rund. Man spricht von Stäben. Der Durchmesser hoch reiner Kristalle beträgt maximal 200 Millimeter; "das ist aber schon Weltrekord", sagt Riemann. Aus diesen Stäben können runde Scheiben gesägt werden, die Wafer. Das Problem: Diese Wafer müssen große Solar-Panels ausfüllen, also in eine eckige Form geschnitten werden. Das gibt viel Abfall. Besser wäre es, gleich viereckige Wafer aus Silizium zu erzeugen. Geschmolzenes Silizium einfach in eine rechteckige Form zu gießen, geht nicht gut. Silizium ist nämlich extrem reaktionsfreudig und verbindet sich mit nahezu allen bekannten Materialien. Riemann formuliert es salopp: "Das Zeug klebt an allem fest." Will man den gegossenen Block lösen, zerbricht entweder die Form oder der Block. "Meistens beides", sagt der Forscher.

Daher wählen die IKZ-Experten einen anderen Weg. Sie versuchen, ohne Gussform Blöcke herzustellen. Eine bekannte berührungsfreie Methode heißt Floating-Zone-Verfahren (kurz: FZ-Verfahren) und ist Standard für runde Kristalle. "Wir versuchen herauszufinden, wie man den Querschnitt eines Silizium-Stabes im FZ-Prozess so verformen kann, dass für quadratische Wafer weniger Abfall und Ausschuss anfällt", berichtet Riemann, "Das Material besser auszunutzen ist selbst dann noch interessant, wenn es nur polykristallin wächst und der Wirkungsgrad der Zelle sinkt."

Ein zweiter Ansatz ist es, FZ-Einkristalle billiger als bisher herzustellen. In Zusammenarbeit mit einer dänischen Firma arbeitet das IKZ daran, aus quasi minderwertigem Rohmaterial vergleichsweise reine Kristalle zu ziehen. Zugleich untersuchen Riemann und Kollegen, ob man den Herstellungsprozess dabei beschleunigen kann. Eine höhere Geschwindigkeit bei der Kristallerzeugung führt zwar meist zu mehr Strukturdefekten, doch gewisse Abstriche sind hinnehmbar: "Die Kristalle haben dann schlechtere elektronische Eigenschaften, aber wir wollen sie ja gar nicht in der Elektronik einsetzen", sagt Riemann. Ziel des Kooperationsprojekts sei es vielmehr, die photovoltaische Qualität zu steigern und das Wachstum zu beschleunigen. "Bisher wurden lediglich Teststrukturen erzeugt", berichtet der Wissenschaftler, "aber in einer groben Abschätzung kann man von Wirkungsgraden über 20 Prozent ausgehen." Ein weiteres, drittes Projekt am IKZ beschäftigt sich sozusagen mit der Veredelung von billigem "metallurgischem" Silizium. Die Wissenschaftler ziehen Teststäbe aus einem Schmelztiegel. "Nach ersten Erfahrungen sind Einkristalle da nicht ausgeschlossen", sagt Riemann - das wäre dann ein riesiger Sprung im Qualitäts-Kostenverhältnis.

Weitere Informationen:
Institut für Kristallzüchtung
Max-Born-Straße 2, 12489 Berlin
Ansprechpartner: Dr. Helge Riemann
Tel.: 030/6392-3010, Mail: riemann@ikz-berlin.de
Web: www.ikz-berlin.de

Berlin wird zum Zentrum für Kristallzüchtung
Adlershofer IKZ organisiert "International Summer School on Crystal Growth" im August 2004
BerliNews, 21. 2. 2004 - WN1878

Roberto Fornari folgt Winfried Schröder
Neuer Direktor des Instituts für Kristallzüchtung in Adlershof
BerliNews, 4. 10. 2003 - WN-1625

Drei Sieger in Dreilinden
Innovationspreis Berlin/Brandenburg 2001 verliehen
(Combinature Biopharm AG - Institut für Kristallzüchtung (IKZ) - Acri-Tec GmbH)
BerliNews, 7. 12. 2001 - ZN-1007

Modellhafte Firmenentwicklung im IPW
CrysTec Kristalltechnologie wird vom Mieter zum Eigentümer und errichtet markanten Neubau
BerliNews, 23. 9. 2003 - IPW-028

Kristall für Bose-Einstein-Kondensat
Magnetfelder am Berliner HMI erzeugen ungewöhnlichen Materiezustand
BerliNews, 31. 5. 2003 - HeN-893

Wo die Kristalle wachsen
"Einsteins Erben": Ein Besuch im Berliner Institut für Kristallzüchtung
BerliNews, 13. 3 2000 - WN-1182

Silicium-Pioniere kommen nach Adlershof
Auch Experten anderer Materialverbindungen treffen sich im IKZ zu einem internationalen Meeting
BerliNews, 12. 4 99 -

Spitzenentwicklung für Werkstoffe im IKZ
Direktor Winfried Schröder anläßlich der Einweihung des Institutsneubaus
BerliNews, 26.09.98 -

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