Gezielte Steuerung der Wachstumsdynamik feinster Zinnschichten

Nanometerskalige Beschichtungen mit Funktionsmaterialien spielen in vielen sensorischen, elektronischen und photonischen Anwendungen eine wichtige Rolle. Einem internationalen Forscherteam unter der Koordination des Leibniz-IPHT in Jena ist es erstmals gelungen, neuartige Wachstumseffekte von Zinnbeschichtungen auf nanometerstrukturierten Siliziumoberflächen zu beobachten.

Mit den gewonnenen Erkenntnissen lässt sich künftig die chemische Zusammensetzung abgeschiedener dünner Filme präzise steuern und überwachen, was neue Anwendungen in den Bereichen Biophotonik, Energieerzeugung oder Mobilität eröffnet. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift veröffentlicht Klein.

Zinnhaltige Schichten sind für verschiedenste elektronische Teile und Komponenten in der Elektroindustrie sowie in der Sensorik oder Photovoltaik gefragt. Forscher des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien (Leibniz-IPHT) haben gemeinsam mit Wissenschaftlern aus Deutschland, Russland und Großbritannien den Entstehungsprozess nanoskaliger Zinnschichten untersucht und ihre Ergebnisse in der Zeitschrift zusammengefasst Klein.

Ausgangsmaterial für die beobachteten Wachstumsprozesse zinnhaltiger Dünnschichten sind ultradünne siliziumbasierte Strukturen in Form von Nanodrähten mit einem Durchmesser von weniger als 100 Nanometern. In experimentellen Untersuchungen konnten die Forscher erstmals einen spezifischen Verteilungseffekt von Zinn entlang dieser Silizium-Nanostrukturen nachweisen. Mittels metallorganischer chemischer Gasphasenabscheidung bei einer Abscheidungstemperatur von 600° Celsius wurden über die gesamte Länge der Halbleiter-Nanodrähte zinnhaltige Schichten mit unterschiedlichem Oxidationsgrad gebildet.

„Indem wir verstehen, wie Zinnbeschichtungen wachsen und welche Faktoren diesen Wachstumsprozess beeinflussen, schaffen wir die Voraussetzungen, Beschichtungsprozesse gezielt zu steuern. Dadurch können Oberflächen sehr präzise veredelt und an zuvor definierten Positionen mit gewünschten Funktionseigenschaften ausgestattet werden“, erklärt Dr. Vladimir Sivakov, Leiter der Gruppe Silizium-Nanostrukturen am Leibniz-IPHT, der gemeinsam mit seinem Team die Wachstumsmechanismen erforschte und entdeckte.

Anwendungen ultradünner Zinnschichten

Nanometerdünne Beschichtungen mit Zinn ermöglichen spezifische optische und elektrische Eigenschaften und erlauben unter anderem, die Forschung und Entwicklung optischer und biophotonischer Methoden weiter zu verbessern.

Zinnschichten können als UV-SERS-aktive Oberflächen in der oberflächenverstärkten Raman-Streuungsspektroskopie (SERS) verwendet werden, die zur Bestimmung des molekularen Fingerabdrucks biologischer Proben mithilfe von SERS-aktiven Metallnanostrukturen eingesetzt werden kann. Darüber hinaus gibt es Einsatzgebiete in der Gassensorik, in denen Zinn als hochempfindliche Schicht auf Gase reagiert. Denkbar sind auch Anwendungsszenarien in Hochleistungs-Lithium-Ionen-Batterien für die Elektromobilität und thermische Energiespeicherung, bei denen zinnbeschichtete Anoden für eine hohe elektronische Leitfähigkeit sorgen.

Mechanismen und Wachstumsdynamik zinnhaltiger Schichten

Die Forscher untersuchten die Wachstumsdynamik der beobachteten zinnbasierten Schichten auf nanostrukturierten Oberflächen mit mikroskopischen und spektroskopischen Methoden. Im Gegensatz zu planaren und unstrukturierten Siliziumoberflächen, auf denen die Abscheidung homogen erfolgte, waren die Oberflächen der Halbleiter-Nanodrähte über die gesamte Länge mit zinnhaltigen Kristallen unterschiedlicher Größe und Form bedeckt.

Die in der Zeitschrift vorgestellten Ergebnisse zeigen die Bildung verschiedener Zinnoxidphasen entlang der nanostrukturierten Siliziumoberflächen, die im oberen Teil mit Zinndioxid (SnO2), im mittleren Teil mit Zinnmonoxid (SnO) und im mittleren Teil mit metallischem Zinn (Sn) identifiziert werden konnten ) im unteren Teil.

Die Menge und Verteilung des gebildeten metallischen Sn und seiner SnO- und SnO2-Oxide kann durch die Länge, den Durchmesser, die Porosität und den Abstand der siliziumbasierten Halbleiter-Nanostrukturen erklärt und effektiv gesteuert werden. Zusätzlich zu diesen geometrischen Parametern konnten die Forscher die Bildung kohlenwasserstoffhaltiger Nebenprodukte als Reduktionsmittel für die Zinnoxidreduktion als weiteren Einflussfaktor auf die Verteilung der gebildeten Zinnschichten entlang der Halbleiter-Nanostrukturen aufdecken.

Auch die Wärmeleitfähigkeit der Siliziumstrukturen und damit die Temperaturverteilung entlang der Nanodrähte während der Hochtemperaturbedampfung kann einen Einfluss auf die Bildung unterschiedlicher Zinnoxidphasen haben.