Ordnungshilfen erleichtern das Leben: Der Halbleiterindustrie könnte Aluminium helfen, Silicium bei niedrigen Temperaturen von der ungeordneten in eine geordnete Form umzuwandeln. Dieses kristalline Silicium arbeitet etwa in Solarzellen deutlich effizienter. Es lässt sich bislang aber nur bei hohen Temperaturen herstellen und daher nicht auf hitzeempfindliche Materialien wie Kunststoff oder Papier auftragen.
Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Metallforschung in Stuttgart haben nun einen Weg gefunden, die Kristallisationstemperatur von Silicium gezielt zu senken - von 700 Grad Celsius bis auf 150 Grad Celsius und jede beliebige Temperatur dazwischen. Das gelang ihnen, indem sie eine dünne Aluminiumschicht auf dem ungeordneten Silicium aufbrachten; die Dicke der Schicht bestimmte dann die Kristallisationstemperatur. Die Forscher haben zudem erklärt, warum das so ist. Diese Erkenntnisse könnten dazu beitragen, Solarzellen und andere elektronische Bauteile auf billigen und flexiblen Materialien wie Glas, Kunststoff oder gar Papier herzustellen.
Silicium ist das Material der Wahl in der Halbleiterindustrie: Mal braucht sie es in kristalliner, mal in amorpher, sprich ungeordneter, Form. Und so vielfältig inzwischen die Einsatzgebiete von Chips und Solarzellen sind, so vielfältig sind die Materialien, die als Träger des Halbleiters dienen, und die Bedingungen, unter denen sie arbeiten müssen. Daher möchte die Industrie gezielt die Temperatur beeinflussen, bei der Silicium kristallisiert. Meist will sie die Temperatur senken, damit sie das Halbleitermaterial auch auf hitzeempfindlichen Stoffen kristallisieren lassen kann. Manchmal möchte sie aber auch verhindern, dass sich amorphes Silicium ungewollt in kristallines verwandelt.
Dass sich die Kristallisationstemperatur eines Halbleiters ändert, wenn es mit einem anderen Metall Kontakt hat, ist schon seit längerem bekannt. "Wir haben diesen Effekt jetzt aber erstmals ausgenutzt, um die Kristallisationstemperatur von Silicium mit einer kristallinen Aluminiumdeckschicht gezielt einzustellen", sagt Lars Jeurgens, einer der beteiligten Forscher der Abteilung von Eric J. Mittemeijer des Stuttgarter Max-Planck-Instituts für Metallforschung. Unter 200 Grad lässt sie sich demnach mit Schichten drücken, die dicker als 20 Nanometer sind. Bei geringeren Schichtdicken steigt die Temperatur stark an.
Die Kristallisationstemperatur konnten die Stuttgarter Wissenschaftler nur deshalb so genau kontrollieren, weil sie vorher aufgeklärt hatten, worauf der Effekt beruht und wie er sich theoretisch beschreiben lässt. Bekannt war, dass die Aluminiumschicht die Bindungen zwischen den ungeordneten Siliciumatomen schwächt. Es fällt diesen daher leichter sich in geordneter Form neu zu sortieren, was letztlich die Energie des Siliciumblockes senkt. Wenn keine Aluminiumschicht die Bindungen im amorphen Silicium lockert ist eine Temperatur von 700 Grad Celsius nötig, um sie aufzubrechen.
Wie weit die Dicke der Aluminiumschicht die Kristallisationstemperatur senkt, hängt von den energetischen Verhältnissen in dem System aus Siliciumblock und Aluminiumschicht ab. Als Maxime gilt: Gemacht wird alles, was Energie spart. Eine große Rolle spielen hierbei die Energien an der Grenzfläche zwischen Silicium und Aluminium: Um die Gesamtenergie des Systems zu senken, lagern sich die Silicium-Atome in einem ersten Schritt ungeordnet in die Aluminium Korngrenzen ein. Im ungeordneten Zustand passen sie sich nämlich besser an das Kristallgitter des Aluminiums an. Würden sie sich dort kristallin anordnen, träten an der Grenze zwischen den zwei unterschiedlichen starren Kristallgittern energieaufwändige Spannungen auf.
Obwohl es erst mal nicht so klingt, fördert das die Kristallisation des Siliciums - wenn auch nur indirekt. Sobald sich an der Aluminium Korngrenze nämlich eine dünne, ungeordnete Siliciumschicht angelagert hat, ergibt sich eine weitere Möglichkeit Energie zu sparen: Die Siliciumatome ordnen sich akkurat zum Kristall an. Das Verhältnis von Kristalisations- und Grenzflächenenergie ist hierbei entscheidend: Es bestimmt nämlich, bei welcher Temperatur die benetzende Siliciumschicht zu kristallisieren beginnt. Dieses empfindliche Gleichgewicht beeinflussen die Stuttgarter Forscher gezielt, indem sie die Dicke der Aluminiumschicht variieren.
Bei ihren Arbeiten haben sich die Forscher zunächst auf den Moment konzentriert, in dem die Kristallisation einsetzt. Was danach geschieht, ist noch nicht völlig geklärt. Während des Prozesses verdrängt kristallines Silicium jedenfalls allmählich die Aluminiumschicht. Die Aluminiumatome wandern durch das kristalline Silicium und sammeln sich am Boden des Siliciumblocks an. Warum sie das tun und was dabei genau passiert, wird jetzt von den Materialwissenschaftlern der Abteilung von Eric. S. Mittemeijer untersucht.
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Zusatzinformationen:
Z. M. Wang, J. Y. Wang, L. P. H. Jeurgens und E. J. Mittemeije:
Tailoring the Ultrathin Al-Induced Crystallization Temperature of Amorphous Si by Application of Interface Thermodynamics.
In: Physical Review Letters; erschienen im März 2008, DOI 10.1103/PhysRevLett.100.125503
Z. M. Wang, J. Y. Wang, L. P. H. Jeurgens und E. J. Mittemeijer:
Thermodynamics and mechanism of metal-induced crystallization in immiscible alloy systems: Experiments and calculations on Al/a-Ge and Al/a-Si bilayers.
In: Physical Review Letters; erschienen im Januar 2008, DOI 10.1103/PhysRevB.77.045424
Quelle: Max-Planck-Institut für Metallforschung, Stuttgart
Aktualisiert am 09.04.2008.
Permalink: https://www.internetchemie.info/news/2008/apr08/ordnungshilfe-für-silicium.php
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