Dotierte Supergitter

Über das Dotieren mit Bor, Indium, Phosphor oder Arsen lassen sich die elektronischen Eigenschaften von Silizium exakt kontrollieren. Ohne dieses Verfahren wären keine leistungsfähigen Prozessoren möglich. Die Vorteile des Dotierens konnten nun Wissenschaftler an der University of Pennsylvania in Philadelphia auch auf die neue Materialklasse der Supergitter übertragen. Erste Pilotversuche mit nanokristallinen Gitterstrukturen aus Bleiselenid, in denen einzelne Partikel gegen Nanokristalle aus Gold ersetzt werden konnten, zeigten signifikante Änderungen in der elektrischen Leitfähigkeit.

Supergitter bestehen aus periodisch angeordneten Nanopartikeln, die sich symmetrisch zu hauchdünnen Schichten von wenigen Nanometern Dicke anordnen. Ähnlich wie Atome in einem Kristall nehmen in Supergittern einzelne Nanokristalle feste, wohl definierte Plätze ein. Sogar mehrschichtige Strukturen aus Nanokristallen unterschiedlicher Art und Größe konnten schon gefertigt werden. Matteo Cargnello und seine Kollegen wollten nun einzelne Nanokristalle in einem Supergitter austauschen, um eine größere Kontrolle über die chemischen und physikalischen Eigenschaften zu erlangen.

In ihren ersten Experimenten mischten sie wenige Nanometer kleine Kristalle aus Cadmiumselenid in farblosen, leicht flüchtigen Hexan. Verteilt auf einer mit Diethylenglykol benetzten Fläche ordneten sich diese Kristalle selbst­ständig zu einem Supergitter an. Fügten sie der Hexan-Dispersion zusätzlich Gold-Nanokristalle der gleichen Größe – etwa 5,5 Nanometer ohne orga­nische Liganden – zu, entstanden wie erhofft Monolagen, in denen die Goldpartikel gleichmäßig verteilt die Plätze von Cadmiumselenid-Nano­kristallen eingenommen hatten. Über die Konzentration der Nanokristalle in der Hexan-Dispersion ließ sich die Dichte der Goldpartikel in dem ent­stehen­den Supergitter kontrollieren. Qualitätskontrollen mit einem Transmissions-Elektronenmikroskop zeigten in dem dotierten Supergitter pro Quadrat­mikro­meter zwischen 66 und 317 Goldpartikel. Die Abstände zwischen den einzelnen Nanokristallen schwankten dabei zwischen 25 und 46 Nanometern.

In weiteren Versuchen dotierten Cargnello und Kollegen auch Supergitter aus Bleiselenid mit Goldpartikeln. Hier stellte sich die gewünschte isotrope Verteilung der Goldpartikel erst nicht ein, da sich die verschiedenen Nano­kristalle zu sehr in der Größe unterscheiden. Doch mit Goldteilchen, die mit einer dünnen Silberschicht umhüllt waren, konnten auch die Bleiselenid-Supergitter erfolgreich und gleichmäßig dotiert werden. Die symmetrische Anordnung der Nanokristalle blieb dabei vollständig erhalten. An diesen dotierten Bleiselenid-Supergittern überprüften die Forscher den Einfluss der Gold-Silber-Partikel auf die elektrische Leitfähigkeit. Ein Supergitter aus reinem Bleiselenid erreichte nur geringe Werte von einigen millionstel Siemens pro Quadratzentimeter. Dotiert mit einem Anteil von 16,5 Prozent stieg die Leitfähigkeit jedoch um mehrere Größenordnungen auf gut sieben Siemens pro Quadratzentimeter.

Dieses Grundlagenexperiment zeigt, dass die Eigenschaften von Supergittern über eine Dotierung mit Fremdkristallen kontrolliert beeinflussen lassen. Das eröffnet eine Möglichkeit, um zahlreiche neue Materialien mit gewünschten Eigenschaften zu kreieren. Cargnello und Kollegen sind davon überzeugt, dass eine Dotierung nicht nur die elektrischen, sondern auch magnetischen und optischen Eigenschaften eines Supergitters verändern kann. Damit wären weitführende Anwendungen von neuen Modulen für photonische Schaltkreise, für die Entwicklung von tarnenden Metamaterialien und effi­zienteren Katalysatoren vorstellbar.

Jan Oliver Löfken

RK