Silizium auf der Streckbank

Nanodrähte aus dem Halbleitermaterial lassen sich erstaunlich stark dehnen – Anwendung für flexible Elektronik, Bionanosensoren und schnellere Schaltkreise
Nanodrähte aus Silizium auf der Streckbank: Hohe Elastizität erlaubt Dehnungen um bis zu 16 Prozent.
Nanodrähte aus Silizium auf der Streckbank: Hohe Elastizität erlaubt Dehnungen um bis zu 16 Prozent.
© Zhang et al. Sci. Adv. 2016; 2 : e1501382
Hongkong (China) - Der Halbleiter Silizium bildet die Grundlage aller gängigen Computerchips. Doch als kristallines Material ist es spröde und bruchempfindlich. Dennoch gelang es nun einer chinesisch-amerikanischen Forschergruppe, winzige Nanodrähte aus Silizium wiederholt zu dehnen. So elastisch wie Gummi waren sie zwar nicht, doch immerhin konnten einzelne Drähte um bis zu 16 Prozent gestreckt werden. Dieser Erfolg soll nun den Weg bereiten, um Silizium verstärkt in flexiblen elektronischen Bauteilen zu nutzen. Damit wären leistungsfähigere Bildschirme und Elektronikmodule für intelligente Kleidung und bessere Sensoren in der Medizintechnik möglich.

„Als Festkörper ist Silizium hart und spröde“, sagt Yang Lu von der City University in Hongkong. „Doch wenn Silizium größere elastische Verformungen aushielte, könnte es viele mechatronische Anwendungen in der Optoelektronik, für flexible Elektronikmodule und für nanostrukturierte Schnittstellen zwischen Elektronik und biologischem Gewebe finden.“ Diesem Ziel näherte sich Lu zusammen mit Kollegen vom IBM-Watson Research Center in Yorktown Heights und der chinesischen Xiamen University deutlich an. Sie züchteten winzige, monokristalline Nanodrähte aus Silizium mit einem ausgeklügelten Dampfphasen-Verfahren. Danach analysierten sie die elastischen Eigenschaften der Nanodrähte.

Dazu beschichteten die Forscher zuerst eine Unterlage aus Edelstahl mit einer zehn Nanometer dünnen Goldschicht. Auf dieser setzten sich bei etwa 540 Grad Celsius aus einer Silan-Wasserstoff-Wolke dünne kristalline Silizium-Nanodrähte ab. Nach einem Ätzprozess ließen sich einzelne Nanodrähte mit Durchmessern zwischen von 80 und 120 Nanometern von der Unterlage abkratzen. Eingespannt in einer für Nanostrukturen optimierten Streckvorrichtung ließen sich die Nanodrähte bis an die Grenze ihrer Elastizität strecken. Parallel beobachteten die Forscher die Veränderungen im Halbleitermaterial mit einem Elektronenmikroskop.

Bei Raumtemperatur ließen sich nahezu alle Nanodrähte um mehr als zehn Prozent dehnen. Dabei wirkte eine große Zugkraft von bis zu 20 Gigapascal auf die Siliziumstrukturen. Einzelne Nanodrähte konnten sogar um bis zu 16 Prozent gestreckt werden, für die meisten war jedoch bei 13 Prozent die Grenze der Elastizität erreicht. Immerhin hielten diese Nanodrähte mehreren Dehnungen nacheinander stand. Wieder aus ihrer Streckbank befreit, nahmen die Nanodrähte ihre ursprünglichen Dimensionen an und zeigten keine dauerhafte plastische Verformung. Verantwortlich für diese hohe Elastizität machten die Forscher den weitestgehend defektfreien Aufbau der monokristallinen Nanodrähte mit einer extrem glatten Oberfläche.

Bei diesen Streckversuchen nahm die Energiedichte innerhalb der Nanostrukturen enorm zu und erreichte Werte von bis zu einem Gigajoule pro Kubikmeter. Diese volumetrische Energiedichte entsprach etwa einem Siebtel des Sprengstoffes TNT. Brachen die Nanodrähte bei einer zu großen Zuglast, wurde diese Energie in Bewegungsenergie umgewandelt: Die Bruchstücke wurden sehr schnell mit geschätzten Geschwindigkeiten von etwa 1000 Metern pro Sekunde aus der Halterung geschleudert. Diese Versuche belegen, dass sich Silizium-Nanodrähte mit größeren Durchmessern von etwa 100 Nanometern verblüffend stark dehnen lassen. Dank dieser Elastizität könnten sie nun zu flexiblen Elektronikmodulen oder medizinische Sensorsystemen führen, die derzeit in der Entwicklung stehen.

Doch Yang Lu sieht noch einen weiteren Vorteil für seine hochelastischen Nanodrähte. „Bei Gitterdehnungen von mehr als zehn Prozent könnte sich die Bandstruktur von gestrecktem Silizium disruptiv ändern“, sagt Lu. Damit ließen sich die elektronischen Eigenschaften drastisch ändern. Schon nur um zwei Prozent gedehntes Silizium, das bereits seit Jahren in leistungsfähigen Prozessoren genutzt wird, zeigt eine signifikant erhöhte Elektronenbeweglichkeit. Bei noch stärkeren Dehnungen könnte Silizium weitere Überraschungen bieten, die vermutlich großes Anwendungspotenzial für die Elektronik der Zukunft hätten.

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