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Nordrhein-WestfälischeAkademie der Wissenschaften
Natur-, Ingenieur-und Wirtschaftswissenschaften Vorträge · N 400
Herausgegeben von der
Nordrhein-Westfälischen Akademie der Wissenschaften
HERBERT GLEITER
Nanostrukturierte Materialien
HANSLÜTH
Halbleiterheterostrukturen: große Möglichkeiten
für die Mikroelektronik und die Grundlagenforschung
Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH
387. Sitzung am 4. November 1992 in Düsseldorf
Die Deutsche Bibliothek -CIP-Einheitsaufnahme
Gleiter, Herbert:
Nanostrukturierte Materialien I Herbert Gleiter. Halbleiterheterosttukturen:
große Möglichkeiten für die Mikroelektronik und die Grundlagenforschung I Hans
Lüth. -Opladen: Westdt. Verl., 1993
(Vorträge I Nordrhein-Westf:ilische Akademie der Wissenschaften; Natur-,
Ingenieur· und Wirtschaftswissenschaften; N 400)
ISBN 978-3-663..()0057..()
NE: Lüth, Hans: Halbleiterheterosttukturen; Nordrhein-Westf:ilische Akademie
der Wissenschaften (Düsseldorf): Vorträge I Natur·, Ingenieur-und Wirtschafts.
wissenschaften
© Springer Fachmedien Wiesbaden 1993
Ursprünglich erschienen bei Westdeutscher Verlag GmbH Opladen 1993
ISSN 0944-8799
ISBN 978-3-663-00057-0 ISBN 978-3-663-00207-9 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-00207-9
Inhalt
Herbert Gleiter, Saarbrücken
Nanostrukturierte Materialien
1. Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2. Herstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3. Struktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
4. Effekte der Zeit-Temperaturvorgeschichte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
5. Legierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
5.1 Grenzflächenlegierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
5.2 Nanostrukturierte Legierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
6. Nanostrukturierte Gläser (Nanogläs'er) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
7. Wirtschaftliche Herstellung großer Mengen
nanostrukturierter Materialien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
8. Entwicklungstendenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
Literatur .................................................. :. . . . . 35
Diskussionsbeiträge
Professor Dr.-Ing. Erhard Hornbogen; Professor Dr. rer. nat. Herbert Gleiter;
Professor Dr. rer. nat. Eckart Kneller; Professor Dr. rer. nat. Dietrich Neu
mann; Professor Dr. rer. nat. Theo Mayer-Kuckuk; Professor Dr. rer. nat.,
Dr. sc. techn.h.c. Berhard Korte; Professor Dr. rer.nat. Ulrich Thurm; Profes
sor Dr. rer. nat., Dr. h. c. mult. Günther Wilke; Professor Dr. sc. techn.,
Dr. h. c. mult. Alfred Fettweis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
Hans Lüth, Jülich
Halbleiterheterostrukturen:
große Möglichkeiten für die Mikroelektronik und die Grundlagenforschung
1. Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2. Physikalische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
6 Inhalt
3. Halbleiterepitaxie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4. Quanteneffekte in Heterostrukturen:
Quantentöpfe und resonantes Tunneln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5. Zweidimensionale Elektronengase hoher Beweglichkeit . . . . . . . . . . . . . . 59
6. Der "High Electron Mobility Transistor" (HEMT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
7. Experimente mit ballistischen Elektronen im 2DEG . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
8. Schluß und Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
Diskussionsbeiträge
Professor Dr. -lng., Dr. -Ing. E. h. Sieg/ried Batzel; Professor Dr. rer. nat. Hans
Lüth; Professor Dr. rer. nat., Dr. sc. techn. h. c. Berhard Korte; Professor
Dr.rer.nat. Tasso Springer; Professor Dr.sc.techn., Dr.h.c.mult.Aijred Fett·
wets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
Nanostrukturierte Materialien
Von Herbert Gleiter, Saarbrücken
1. Einleitung
Es gehört zu den grundlegenden Erkenntnissen der Festkörperphysik, daß das
Verhalten fester Stoffe in den meisten Fällen primär vom interatomaren Abstand
sowie von der geometrischen Anordnung nächster Nachbaratome (charakterisiert
durch Bindungswinkel und Koordinationszahl) bestimmt wird. Der physikalische
Grund dafür ist die relativ kurze Reichweite der interatomaren Wechselwirkungs
kräfte. Diese kurze Reichweite bedingt, daß die Wechselwirkungen zwischen
nächsten Nachbarn viel stärker sind als jene zwischen übernächsten oder weiter
weg liegenden Partnern. Ändern sich daher in einem Festkörper (bei gleich
bleibender chemischer Zusammensetzung) - beispielsweise bei einer Phasenum
wandlung - die interatomaren Abstände und/ oder die Bindungswinkel, so ist dies
stets von spektakulären Eigenschaftsänderungen begleitet. Ein Beispiel hierfür ist
der Übergang vom Diamant zum Graphit (Abb. 1). Während im Diamant jedes
Kohlenstoffatom äquidistant von vier Nachbaratomen tetraedrisch umgeben ist,
liegt im Graphit eine Lagenstruktur vor. Innerhalb der Lagen liegt jedes Kohlen
stoffatom im Zentrum dreier, nach Bindungswinkel und Abstand symmetrisch
Abbildung 1: Kristallstruktur von Diamant (linkes Bild) und Kristallstruktur von Graphit.
8 Herbert Gleiter
angeordneter Nachbaratome. Die Nachbaratome in der darüber- und darunter
liegenden Lage haben wesentlich größere Abstände und andere Bindungswinkel,
als sie innerhalb der Lagen oder im Diamant auftreten. Vergleichbare Änderungen
in den interatomaren Abständen und/o der der geometrischen Anordnung näch
ster Nachbarn stellen sich beispielsweise auch bei den Phasenübergängen vom
weißen zum grauen Zinn oder vom festen molekularen zum festen metallischen
Wasserstoff ein. In allen Fällen machen sich die veränderten interatomaren
Abstände bzw. die veränderten Anordnungen nächster Nachbarn durch spekta
kuläre Eigenschaftsänderungen bemerkbar. Um nur ein Beispiel zu nennen: Die
elektrische Leitfähigkeit der o. g. Substanzen variiert um viele Größenordnungen
bei der Strukturänderung (Metall-Isolator-Übergang). Vergleichbar starke Ver
änderungen erfolgen aber auch im mechanischen, optischen, magnetischen etc.
Verhalten. So ist beispielsweise Diamant eine sehr harte und spröde Substanz,
während Graphit sich weich und verformbar verhält.
Der enge Zusammenhang zwischen interatomarem Abstand und geometrischer
Anordnung nächster Nachbarn einerseits und dem Verhalten eines Festkörpers
andererseits legt folgenden Schluß nahe: Gelingt es, die interatomaren Abstände
und/o der die Anordnung nächster Nachbarn in einem festen Stoff, z.B. in reinem
Eisen, zu verändern, so sollten sich auf diesem Wege seine Eigenschaften drastisch
modifizieren lassen. Natürlich sollte dies sowohl bezüglich der thermodynami
schen als auch der chemischen, elektrischen, mechanischen, magnetischen, opti
schen etc. Eigenschaften gelten.
In diesem Zusammenhang besonders attraktiv erscheint die Vergrößerung der
interatomaren Abstände (relativ zu den Gleichgewichtsabständen im Kristall), weil
auf diese Weise die Wechselwirkung benachbarter Atome reduziert werden
könnte. Im Grenzfall sehr großer interatomarer Abstände könnten also die inter
atomaren Wechselwirkungen praktisch ganz beseitigt werden. Die Reduktion der
interatomaren Wechselwirkungen durch Abstandsvergrößerung erscheint deshalb
besonders interessant, weil auf diese Weise das Verhalten eines Stoffes, z.B. das Ver
halten von Eisen, "durchstimmbar" wäre zwischen einem typischen Festkörper
verhalten (wenn eng benachbarte Atome stark wechselwirken) zu einem Einzel
atomverhalten (wenn weit auseinanderliegende Atome schwach gekoppelt sind).
Die Frage, die sich bei dieser Betrachtungsweise sofort aufdrängt, ist natürlich:
Läßt sich diese Vorstellung in die Realität umsetzen? Die beiden Wege, die zur
Erreichung dieses Ziels in Betracht kommen könnten, sind das Anlegen äußerer
Zugkräfte, die die Atome auseinanderziehen, oder das Einfrieren des geschmolze
nen Zustandes in Form eines Glases, in dem die meisten Stoffe vergrößerte mittlere
Atomabstände (verringerte Dichte) aufweisen. Bei der Dichtereduktion durch das
Anlegen äußerer Zugkräfte ist das erreichbare Limit der Reduktion dadurch ge
geben, daß sich bei den meisten Stoffen schon bei Zugkräften, die die Dichte um
Nanostrukturierte Materialien 9
weniger als 1% verringern, entweder plastische Verformung einstellt oder ein Riß
bildet, der den Körper auseinanderbrechen und daher die Dichtereduktion ver
schwinden läßt. Bei der Dichtereduktion durch das Einfrieren des flüssigen Zu
standes treten ähnliche Schranken auf: Zwar sinkt mit steigender Temperatur die
Dichte einer Flüssigkeit kontinuierlich, bis schließlich am kritischen Punkt der
Übergang zum Glaszustand eintritt. Jedoch lassen sich solche Zustände geringer
Dichte nicht in Form von Gläsern einfrieren. Beim Abkühlen von hoher Tempera
tur kontrahiert die Flüssigkeit während des Einfrierprozesses, so daß letztlich im
Glas die mittlere Dichte gegenüber der Dichte des Kristallzustandes nur um typisch
2 bis 3% verringert ist.
Diese anscheinend "naturgegebenen" Schranken in der Reduktion der Dichte
fester Stoffe wurden lange Zeit als unüberwindbare Hindernisse auf dem Weg zur
Erzeugung neuartiger Stoffe durch die Verringerung der Dichte bzw. durch Ver
änderung der Anordnung nächster Nachbarn angesehen. Aus heutiger Sicht
erscheint diese Meinung etwas überraschend, weil seit etwa fünfzig] ahren bekannt
ist, daß in jedem Kristall Stellen vorhanden sind, an denen die atomare Dichte und
die Anordnung nächster Nachbarn lokal stark (d.h. um viel mehr als 2 bis 3%} ver
ändert sind. Diese Stellen werden als Kristallbaufehler oder Gitterdefekte bezeich
net. Die Abbildungen 2 und 5 zeigen als Beispiele für solche Kristallbaufehler die
Atomanordnungen in der Umgebung des Kerns einer Stufenversetzung in einem
kubischen Kristall bzw. in der Nähe des Kerns einer Korngrenze zwischen zwei
Abbildung 2: Stufenversetzung in einem kubischen Kristall (Blickrichtung entlang der kubischen
Achse). Im Versetzungskern ist die atomare Dichte reduziert und die Koordination
zwischen nächsten Nachbaratomen verändert. Der Versetzungskern kann als eine Art
offener Kanal, umgeben von sieben Atomreihen (dunkel markiert), aufgefaßt werden.
