Ministructuren in de nanowereld kunnen bekende materialen totaal nieuwe eigenschappen geven. In het kader van een promotieonderzoek aan het Leibniz-Institut für Kristallzüchtung (IKZ) en de Humboldt-Universität (beide in Berlijn) zijn nanozuilen gekweekt en silicium en germanium onderzocht. De resultaten openen de weg voor nieuwe toepassingen.
Het is meestal een succes bij het IKZ, om een bijzonder groot kristal te kweken. De groep onder leiding van Dr. Torsten Boeck werkt juist aan het tegendeel: deze onderzoekers kweken nanozuilen. In de wereld van de nanostructuren gelden andere principes dan in de macrofysica, waardoor materiaal met totaal nieuwe eigenschappen kunnen worden ontwikkeld. Wetenschappers hopen dat deze structuren een nieuwe technologie mogelijk maken.
Zo wordt bij 90 % van de elektronica-onderdelen silicium gebruikt, dat in grote hoeveelheden wordt geproduceerd en daardoor relatief goedkoop is. Maar silicium is niet geschikt voor de optische elektronica omdat het niet kan oplichten. Het zou kunnen, dat nanozuilen zich anders gedragen, wat een revolutie voor de optische elektronica zou betekenen. Ook voor de elektronische onderdelen van de toekomst of voor zonnecellen zouden kristallijne nanozuilen van grote betekenis kunnen worden.
Maar er is nog wel het een en ander te doen. Allereerst moet techniek ontwikkeld worden om zulke nanozuilen te maken. Tot nu toe ontbreekt het aan elementaire begrip van de oppervlaktefysica als slechts weinig atomen aanwezig zijn, want de wetten van de macrofysica zijn niet eenvoudig over te brengen. Tenslotte moeten functionerende onderdelen voor praktische toepassing worden gefabriceerd en geïntegreerd.
Doctoraalstudie
Andrea Kramer houdt zich in haar doctoraalstudie bij het IKZ met de eerste opgave bezig. Zij heeft nanozuilen van silicium en germanium gekweekt. Tijdens het groeiproces moesten drie zaken onder controle worden gebracht: er moest een minuscule afmeting worden gerealiseerd, maar ook moesten de groeirichting en positie worden beïnvloed. Vooral met het oog op toekomstige onderdelen mogen de zuilen niet ongeordend maar roostervormig op de dragermateriaal staan. Bovendien moeten ze loodrecht uit het materiaal komen niet scheefgroeien.
Voor het positioneren van de zuilen heeft Andrea Kramer allereerst met een gefocuste ionenstraal minuscule verdiepingen in het dragermateriaal aangebracht. Uit deze poriën moeten de nanozuilen groeien. Vervolgens heeft ze goud zodanig op het substraat verdampt, dat zich in elke verdieping een heel kleine gouddruppel verzamelde. In deze druppel ontstaat de basis voor de groei.
Door het verdampen van het te kweken materiaal (in dit geval silicium of germanium) en het verhitten van het substraat diffunderen de atomen op de oppervlakte en verzamelen zich in het gouddruppeltje. Dit neemt het materiaal op totdat het oververzadigd is. Vanaf dat moment kristalliseert het overtollig materiaal op het silicium substraat en begint de zuil te groeien. De kristallijne structuur past zich daarbij aan aan de structuur van het substraat. Deze kristalgroei heet epitaktische groei. Kramer heeft vastgesteld dat de nanozuilen bij een hoge temperatuur en hoge graad van oververzadiging loodrecht ten opzichte van het substraat groeien. Bij lagere temperaturen groeien ze scheef.
Toepassing
Voor nanozuilen bestaan veel toepassingsmogelijkheden. Behalve voor de elektronica kunnen ze de basis zijn voor biosensoren op het moleculaire vlak en als zodanig nieuwe mogelijkheden openen voor de medische wereld.
