Revolutionäre Selbstorganisationstechnik für komplexe Halbleiter

Das Stapeln extrem dünner Materialschichten kann neue Materialien mit spannenden Eigenschaften erzeugen. Doch die bisher erfolgreichsten Verfahren für den Aufbau solcher Stapel sind mühsam, fehleranfällig und für die Großserienproduktion kaum geeignet.

Ein Team unter der Leitung von Stanford-Professorin Hemamala Karunadasa hat nun einen deutlich einfacheren und schnelleren Weg entwickelt. Sie züchteten 2D-Schichten eines der begehrtesten Materialien – Perowskite – abwechselnd mit dünnen Schichten anderer Materialien in großen Kristallen, die sich selbst zusammenbauen.

Selbstorganisation in der Reagenzglas

Die Assemblierung erfolgt in Fläschchen, in denen die chemischen Bestandteile für die Schichten in Wasser herumwirbeln, zusammen mit hantelförmigen Molekülen, die den Prozess steuern. Jedes Ende eines Hantelmoleküls trägt eine Vorlage für das Wachstum einer Schichtart. Während die Schichten kristallisieren – ein Prozess, der der Herstellung von Kandiszucker ähnelt – verknüpfen die Hantelmoleküle sie automatisch in der richtigen Reihenfolge.

Die Forscher betonen, dass ihre Methode die Grundlage für die gezielte Herstellung einer Vielzahl komplexer Halbleiter legt, einschließlich Materialkombinationen, die bisher nicht als Kristallpartner bekannt waren.

„Anstatt Materialien Schicht für Schicht zu manipulieren, werfen wir einfach die Ionen in einen Wassertopf und lassen sie sich so zusammenbauen, wie sie es wollen“, erklärt Karunadasa. „Wir können Gramm davon herstellen und wissen genau, wo die Atome in den Kristallen sitzen. Diese Präzision ermöglicht es mir, die Grenzflächen zwischen den Schichten wirklich zu verstehen, was entscheidend für die elektronische Struktur des Materials ist – also wie sich seine Elektronen verhalten.“

Perowskite: Potenzial und Herausforderungen

Halogenid-Perowskite – Materialien mit der gleichen oktaedrischen Struktur wie natürlich vorkommende Perowskit-Mineralien – werden seit den 1900er Jahren in Wasser assembliert. Sie haben großes Potenzial für die effiziente Sonnenlichtabsorption in Solarzellen und die Umwandlung in Strom, sind aber notorisch instabil, besonders in den heißen, hell beleuchteten Umgebungen, in denen Photovoltaik arbeitet.

Das Schichten von Perowskiten mit anderen Materialien könnte deren Eigenschaften so kombinieren, dass die Leistung in spezifischen Anwendungen verbessert wird. Noch spannender ist die Aussicht, dass an den Grenzflächen, wo Schichten aufeinandertreffen, völlig neue und unerwartete Eigenschaften entstehen könnten; so haben Wissenschaftler bereits entdeckt, dass das Stapeln dünner Filme zweier verschiedener Isolatorentypen einen elektrischen Leiter erzeugen kann.

Herausforderungen traditioneller Fertigungsmethoden

Es ist schwer vorherzusagen, welche Materialkombinationen sich als interessant und nützlich erweisen. Zudem war die Herstellung dünn geschichteter Materialien ein langsamer, mühsamer Prozess. Schichten werden allgemein hergestellt, indem man Filme von nur ein oder zwei Atomen Dicke nacheinander von einem größeren Materialblock abzieht. So wird Graphen aus Graphit gewonnen, einer reinen Kohlenstoffform, die in Bleistiftminen verwendet wird. In anderen Fällen werden diese dünn geschichteten Materialien in winzigen Chargen bei sehr hohen Temperaturen hergestellt.

„Die Art der Herstellung war nicht skalierbar und manchmal sogar schwer von Charge zu Charge zu reproduzieren“, so Karunadasa. „Das Abziehen von Schichten, die nur ein oder zwei Atome dick sind, ist Spezialarbeit; nichts, was man einfach im Labor machen kann. Diese Schichten sind wie ein sehr flexibles Kartenspiel; zieht man eine heraus, kann sie sich wellen oder knicken. Deshalb ist die exakte Struktur des finalen Stapels schwer zu kennen. Es gibt kaum Vorbilder für Materialien, wie wir sie in dieser Studie geschaffen haben.“

Entdeckungen und Ausblick

Es zeigte sich, dass diese atomar dünnen Schichten die gleiche Struktur wie 3D-Blöcke ähnlicher Materialien haben, deren Eigenschaften bereits bekannt waren, und dass zwei verschiedene Schichten sich leicht verzerren müssen, um eine Grenzfläche zu teilen.

„Das Erstellen der geschichteten Strukturen ist exakt derselbe Prozess wie die Herstellung von Kandiszucker, bei dem man einen Holzstab in eine gesättigte Zucklösung taucht und die Kristalle sich am Stab ansiedeln“, erklärt Forscher Michael Aubrey. „In unserem Fall sind die Ausgangsmaterialien anders und man braucht keinen Stab – Kristalle bilden sich im Wasser oder an der Glasfläschchenoberfläche.“

Das Team stellte sechs dieser selbstorganisierten Materialien her, schichtete Perowskite mit Metallhalogeniden oder Metallsulfiden abwechselnd und untersuchte sie mit Röntgenstrahlung an der Advanced Light Source.