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Nanotechnisch

Ein Interview mit Dr. Muhammad Y. Bashouti Max-Planck-Institut für die Physik des Lichtes, Forschungsgruppe

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Dr. Muhammad Y. Bashouti,
Max-Planck-Institut für die Physik des Lichtes, Forschungsgruppe

Nanodrahttechnologie ist vielversprechend für die Realisierung hochintegrierter elektronischer, photonischer und optoelektronischer Bausteine und für die Grundlagenforschung in der Wissenschaft. Hier sind besonders das Wachstum der Nanodrähte und ihre Oberflächenbehandlung für optoelektronische Anwendungen von Interesse.

Worum geht es bei der Physik des Lichts? Welchen Bezug gibt es zu neuen Technologien?

Die Forschung unserer Gruppe beim Max-Planck-Institut in Erlangen konzentriert sich auf Bereiche, die besonders innovativ oder herausfordernd in Hinsicht auf Förderung und Dauer sind. Unser besonderes Interesse liegt zwischen der Grundlagenforschung und der Entwicklung von Technologie mit Fokus auf photonischen Nanostrukturen für verschiedene Anwendungen in den Bereichen Opto-, Nano- und Großflächenelektronik, optische und elektrische Sensoren sowie Nanophotonik. Dies impliziert die Synthese, den Aufbau und die Strukturierung von neuartigen Nanomaterialien und Nanoverbundwerkstoffen sowie ihrer Charakterisierung und Modellierung. Diese Arbeit deckt eine Reihe von wissenschaftlichen Disziplinen ab. Das reicht von kondensierter Materie, Halbleiterphysik und theoretischer Physik über physikalische und organische Chemie bis hin zu Ingenieurdisziplinen wie Elektronik, Maschinenbau und Materialkunde. Die Gruppe wird von Prof. Dr. Silke Christiansen geleitet. Sie ist auch Direktor des Instituts für Nanoarchitekturen für die Energieumwandlung am Helmholtz-Zentrum für Materialien und Energie in Berlin.

 

Was sind photonische Nanomaterialien und wie kommen sie unserer Gesellschaft zugute?

Photonische Nanomaterialien sind durch die Kombination von "photonisch" und "Nanomaterial" definiert. Das beschreibt die Wechselwirkung von Lichterzeugung (Photonen), Detektion und Manipulation (durch Emission, Transmission) mit Nanomaterialien. Das beinhaltet Materialien wie Metawerkstoffe, photonische Kristalle und diffraktive Strukturen. Photonische Nanomaterialien mit effizienter optischer (oder elektrischer) Übertragung unter Beibehaltung von Standards gehören zu den größten Herausforderungen der Menschheit im 21. Jahrhundert. Unsere Forschungsvorschläge haben großen Einfluss auf zukünftige Technologie und letztlich unseren Alltag. Mit der Beantwortung wissenschaftlicher und technologischer Fragen werden wir Innovation schaffen und neuartige Bausteine entdecken und verwirklichen. Schnelle Datenübertragung, hohe Speicherkapazität auf wenigen Nanometern und Energieeinsparung sind Beispiele für die Bedeutung der Erforschung von Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie.

Warum halbleitende Nanodrähte?

Angesichts der Nachfrage nach immer kleineren und schnelleren Systemen wächst das Interesse an der Entwicklung von Nanobausteinen mit neuer Funktionalität und erhöhter Leistung. In den letzten 50 Jahren wurde die Größe von Elektronikbausteinen auf der Basis von Silizium stetig verkleinert und der Fokus im Design wechselte von der Masse zur Oberfläche und den Schnittstelleneigenschaften, die immer mehr in den Vordergrund traten. Mit dem Fortschritt bei der Herstellung von Nanomaterialien wurde insbesondere mithilfe von Siliziumnanodraht (SiNW), eine Reihe von neuartigen Konzepten entwickelt. Die Frage ist: Was unterscheidet einen Siliziumnanodraht von einem herkömmlichen System? Die Antwort ist: sie können gleichzeitig als aktive Zone des Bausteins verwendet werden. Sie können zum Beispiel den Kanal eines Feldeffekttransistors oder andere Bauteile verbinden. Weiterhin wir können ihre Eigenschaften durch die Kontrolle der Oberfläche (den Einsatz von Molekülen zum Beispiel) manipulieren und - was am wichtigsten ist - sie können natürlich in bestehende Nanotechnologie auf der Basis von Silizium integriert werden.

 

Welche Rolle spielen Siliziumnanodrähte bei Solarzellen?

Solarzellen mit SiNW-Arrays haben ein für Wirkungspotenzial von mehr als 15 %. Sie können auf ein- oder mehrkristallinem Silizium, auf Si-Wafern oder Glas hergestellt werden. Sie können mit einem Top-Down-Ansatz wie reaktivem Ionenätzen mit lithografischer großflächiger Nanomusterung unter Verwendung von dicht gepacktem Polystyrol hergestellt werden. Geometrische Parameter wie Durchmesser, Länge, Dichte und Form von SiNW-Arrays können für höchste Absorption (um die 90%) abgestimmt werden. Hierfür gibt es verschiedene Konzepte für SiNW-Solarzellen: (i) eine organische / anorganische Hybridzelle mit SiNW-basiertem Absorber und einem lochleitenden Polymer (PEDOT:PSS – mit einem Verkapselungsverfahren für Langzeitstabilität) (ii) eine Halbleiter-Insulator-Halbleiterzelle mit SiNW Absorber, Oxidtunnelbarrieren (wenige Angström Al2O3 durch Atomlagenablagerung) für Ladungsträgertrennung und einem transparenten leitfähigen Oxid (TCO - hier: Al:ZnO durch ALD). Prototypen von Dünnschichtsolarzellen erreichen offene Spannungen von > 630 mV, Kurzschlussstromdichten von ~30 mA/cm2 und einem Wirkungsgrad von über 13 %.

 

Was ist optoelektronische Charakterisierung und wie wird sie durchgeführt?

Korrelierte Mikroskopie / Spektroskopie wird benutzt, um Materialien / Zellen zu verbessern: (i) Elektronenstrahlinduzierter Strom (EBIC) – zur Untersuchung der Ladungsträgerverteilung in Nanoarchitekturen, (ii) Elektronenrückstreuungsbeugung (EBSD) – zur Untersuchung der strukturellen Qualität der multikristallinen Si-Schicht vor und nach Strukturierung, (iii) Integration von Kugelmessungen, externer Quanteneffizienz, Foto- und Kathodenlumineszenz - zur Untersuchung optischer Eigenschaften und (iv) 4-Punktnanoprojektion einzelner Nanodrähte zur Untersuchung elektrischer Eigenschaften. Neuartige Elektroden (z. B. Graphen, Nanodrahtnetze aus Silber) zur weiteren Verbesserung der Zellen werden untersucht.

 

Warum ist es wichtig, Oberflächeneigenschaften zu verstehen und welche Geräte werden zur Messung von Oberflächeneigenschaften verwendet?

Das hohe Fläche/Volumen-Verhältnis macht Nanomaterialien sehr empfindlich für Oberflächeneigenschaften wie Oberflächenmorphologie, Topografie und physikalische / chemische Bindung mit anderen Atomen und Molekülen. Es ist zu erwarten, dass Oberflächenbindungen mit chemischen und / oder biochemischen Teilchen einen signifikanten Einfluss auf die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Nanomaterialien (wie Nanodrähte) haben. Daher können Verbundstoffe auf der Basis von Siliziumnanodrähten durch Oberflächenfunktionalisierung stark verkleinert werden. Die resultierenden Si-NWs werden als "Hybrid-Si-NWs" bezeichnet. So gibt es zahlreiche Protokolle zur chemischen Bindung an oxidierte Si-Nanodrahtoberflächen, in der Regel durch -OH Chemie. Das gleiche gilt für sauerstofffreies Silizium durch Si-C-Bindungen. Es ist daher wichtig, die Oberflächeneigenschaften und den Ladungsaustausch zwischen den NW-Oberflächen und der Masse auf mikroskopischer Ebene zu verstehen. Das wichtigste analytische Instrument in der Oberflächenwissenschaft sind Fotoelektronenspektroskopie und Kelvinsonden. Banddiagramme aus dieser Analyse werden mit den elektrischen Eigenschaften und den Materialeigenschaften der Nanodrähte korreliert.

 

So viel zum Licht. Was sind Dunkelmaterie und dunkle Energie? Was sagen sie uns über das Universum?

Die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie enthält viel Information über unsere Umgebung. Seit den Pionierarbeiten von Hasan Ibn al-Haytham (Alhazen) im 10. Jahrhundert steht Optik im Mittelpunkt der Forschung. Unter anderem wurde die Hypothese der Dunkelmaterie vorgeschlagen. Allgemein gesprochen beschreiben wir mit Dunkelmaterie, ein Begriff aus der Astronomie und Kosmologie, Materie, die nicht durch emittierte Strahlung nachweisbar ist, aber deren Anwesenheit aus Gravitationseffekten auf sichtbare Materie abgeleitet werden kann. Dunkelmaterie besteht aus Baryonen, d. h. Protonen und Neutronen. Im Jahr 1998 fanden Wissenschaftler der NASA mithilfe des Hubbleteleskops heraus, dass das Universum sich in der Vergangenheit langsamer ausdehnte als heute. Die Erweiterung des Universums wurde nicht durch die Schwerkraft verlangsamt, wie erwartet, sondern sie hat sich beschleunigt. Wir haben immer noch keine gute Erklärung für dieses Phänomen, aber wir haben einen Namen: Dunkelmaterie.

 

Was ist weißes Licht und wie kann es in unserer Gesellschaft in der Zukunft verwendet werden?

Energie sparen ist für die Menschheit heutzutage entscheidend. Helle und weiße Lichtquellen gelten als energiesparend und kommen an vielen Orten wie Wohnraum, Straßen etc. zum Einsatz. Die Arbeit von Shuji Nakamura, einer der drei Empfänger des Nobelpreises für Physik im Jahr 2014, war ein großer Durchbruch in der Lichttechnik. Zusammen mit Isamu Akasaki und Hiroshi Amano hat er effiziente blaue Leuchtdioden erfunden. Das führte zu hellen und energiesparenden weißen Lichtquellen. Dies ist ein beispielhafter Beitrag der Wissenschaft zu unserer Gesellschaft. Das Verständnis der Physik von Licht und Materie war dafür verantwortlich.

 

Was ist ein Möbiusband? Wie hilft es Wissenschaftlern bei der Untersuchung von Licht und Materie?

Möbiusschleifen sind dreidimensionale Strukturen mit nur einer Seite. Sie sind ganz einfach herzustellen. Verdrehen Sie ein Stück Papier. Die Form entspricht der eines Möbiusstreifens. Ein Möbiusband, hergestellt durch die Polarisation von Licht, eröffnet neue Möglichkeiten für die Materialbearbeitung und die Nanotechnologie. Es ist auch ein Beweis für die Theorie des elektromagnetischen Feldes von Licht.

 

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Was sind die interessantesten neuen Erkenntnisse am Max-Plank-Institut?

Im Anschluss an die vorige Frage möchte ich einfach Folgendes hinzufügen. Für die Herstellung von nanoskopischen Strukturen könnte ein Möbiusband aus Laserlicht ideal sein. Ein solches Möbiusband wurde von Wissenschaftlern des Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts (unter Leitung von Prof. Dr. Gerd Leuchs) und der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg hergestellt. Ich schlage vor, ihn für weitere Informationen zu kontaktieren.