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Isolierende dünne Schichten und deren Anwendung

Isolatoren mit einer großen Bandlücke finden sich überall in der Natur, meist als kristalline Mineralien. Generell sind sie chemisch inert, zumindest, wenn sie als perfekt stöchiometrische Verbindungen auftreten. Die Benutzung als Template-Materialien in Katalysatoren und deren Wechselwirkungen mit katalytisch aktivem Material ist ein Teil der gegenwärtigen Forschung.

Unsere Bestrebungen selektive Stoffe als epitaktisch kristalline dünne Filme zu wachsen konzentrieren sich größtenteils auf zwei andere Aspekte. Isolatoren werden bekannterweise als einbettendes Material für alle Arten von elektrischen Leitern oder als Dielektrikum zwischen zwei leitenden Platten eines Kondensators genutzt. In beiden Fällen spielen die Elektronenzustände an den Grenzflächen eine entschiedene Rolle. Die Elektronenzustände können am besten in kristallinen isolierenden Schichten untersucht und manipuliert werden. Bandlücken können "zugeschnitten" werden und Defektdichten werden durch gemischte Oxide ausgeglichen, die es erlauben, dass sich die Gitterkonstanten zwischen dem Substrat und dem isolierendem kristallinen Film anpassen. Andererseits verhalten sich Defekte als Elektronenfallen und bestimmen die Bandverbiegung zwischen Isolator und Halbleiter. Zum Beispiel kann deren Dichte durch strukturelle Modifikation (z.B. Stufen) manipuliert und durch Einfügen von Verunreinigungen und Leerstellen kontrolliert werden.

Strukturmodifikation kann durch die Veränderung von Wachstumsparametern bei der Epitaxie oder durch den Gebrauch von vicinalen Substraten erreicht werden. In manchen Fällen wird sogar eine perfekte Nachbildung der Stufenmorphologie in der Isolatorschicht erzielt. Aufgrund der höheren Koordination können die Stufen im Isolator als Nukleationszentren für weitere (metallische) Strukturen auf der Oberfläche dienen. Andererseits liefern Anionenleerstellen an der Oberfläche des Isolatorfilms elektronische Oberflächenzustände, welche in der Bandlücke des Isolators liegen. Da sie sich im optischen Frequenzbereich anregen lassen, sind sie als Farbzentren bekannt. Die Anregung dieser Leerstellen liegt energetisch niedriger als die eines Exzitons oder freien Ladungsträgers, daher verhalten sie sich als chemisch aktive Zentren. Die Erzeugung solcher aktiven Zentren, die Untersuchung der Anregungsmechanismen, sowie deren Funktion als Nukleationszentren für ultrakleine Punkte und Drähte ist Teil unserer Forschung. Als Teil der Molekularelektronik eröffnet die Adsorption organischer Moleküle auf Isolatoren, sowohl auf perfekten, als auch defektreichen Oberflächen, die Möglichkeit die Bandlücken an der Oberfläche zurecht zuschneiden (siehe Skizze). Das hat große Auswirkungen auf die Nanoelektronik mit ultrakleinen Strukturen im Bereich von einigen Nanometern, sowie auch auf grundlegende Prozesse, wie z.B. die Kontaktaufladung.