Veel halfgeleiderapparaten in de moderne technologie - van geïntegreerde schakelingen tot zonnecellen en LED's - zijn gebaseerd op nanostructuren. Het produceren van arrays van reguliere nanostructuren vereist meestal een aanzienlijke inspanning. Als ze zelforganiserend waren, de productie van dergelijke apparaten zou aanzienlijk sneller gaan en de kosten zouden daardoor dalen. Dr. Stefan Facsko van het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) en Dr. Xin Ou van het Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology (SIMIT), Chinese Wetenschapsacademie, hebben nu een methode aangetoond voor zelforganisatie van nanogestructureerde arrays via bestraling met brede ionenbundels. De resultaten zijn gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift nanoschaal .

In hun verbazingwekkende methode, de onderzoekers gebruiken ionenstralen, die snel zijn, elektrisch geladen atomen. Ze richten een brede bundel edelgasionen op een galliumarsenidewafel, die, bijvoorbeeld, wordt gebruikt bij het produceren van high-speed en hoogfrequente transistors, fotocellen of lichtdioden. "Je zou ionenbombardement kunnen vergelijken met zandstralen. Dit betekent dat de ionen van het oppervlak van het doelwit afmalen. Daar, de gewenste nanostructuren worden helemaal zelf gecreëerd, " legt Dr. Facsko uit. De fijn gebeitelde en regelmatige structuur doet denken aan zandduinen, natuurlijke structuren gecreëerd door wind. Het komt allemaal voor, echter, in een nano-rijk, met slechts een afstand van vijftig nanometer tussen twee duinen - strengen mensenhaar zijn tweeduizend keer dikker.

Ionenbombardement bij verhoogde temperatuur

Op kamertemperatuur, echter, de ionenbundel vernietigt de kristalstructuur van het galliumarsenide en daarmee zijn halfgeleidende eigenschappen. De groep van Dr. Facsko in het Ion Beam Center van de HZDR maakt daarom van de gelegenheid gebruik om het monster te verwarmen tijdens ionenbombardement. Bij ongeveer vierhonderd graden Celsius, de vernietigde structuren herstellen snel.

Een ander effect zorgt ervoor dat de nanoduinen op het halfgeleideroppervlak zich ontwikkelen. De botsende ionen verschuiven niet alleen de atomen die ze raken, maar slaan ook individuele atomen volledig uit de kristalstructuur. Omdat het vluchtige arseen niet aan het oppervlak gebonden blijft, het oppervlak bestaat al snel alleen uit galliumatomen. Om de ontbrekende arseenatoombindingen te compenseren, paren van twee galliumatomen vormen, die zich in lange rijen opstellen. Als de ionenstraal nog meer atomen naast hen uitschakelt, de galliumparen kunnen de gecreëerde trede niet afglijden omdat de temperaturen daarvoor te laag zijn. Zo vormen de lange rijen galliumparen na verloop van tijd nanoduinen, waarin meerdere lange paren lijnen naast elkaar liggen.

Veel experimenten bij verschillende temperaturen en uitgebreide berekeningen waren nodig om zowel de kristallijne toestand van het halfgeleidende materiaal te behouden als om de goed gedefinieerde structuren op nanoschaal te produceren. Dr. Facsko van de HZDR zegt:"De methode van inverse epitaxie werkt voor verschillende materialen, maar bevindt zich nog in de basisonderzoeksfase. Omdat we bijzonder lage energie-ionen gebruiken - onder 1 kilovolt -, die kunnen worden gegenereerd met behulp van eenvoudige methoden, we hopen dat we de weg kunnen wijzen voor industriële implementatie. Het vervaardigen van vergelijkbare constructies met de huidige stand van de techniek vergt aanzienlijk meer inspanning."