Många halvledare i modern teknik - från integrerade kretsar till solceller och lysdioder - är baserade på nanostrukturer. Att producera matriser med vanliga nanostrukturer kräver vanligtvis stora ansträngningar. Om de var självorganiserade, produktionen av sådana anordningar skulle bli betydligt snabbare och kostnaderna skulle därför sjunka. Dr Stefan Facsko från Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) och Dr. Xin Ou från Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology (SIMIT), Kinesiska vetenskapsakademien, har nu visat en metod för självorganisation av nanostrukturerade matriser via bred jonstrålning. Resultaten har publicerats i den vetenskapliga tidskriften Nanoskala .

I deras häpnadsväckande metod, forskarna använder jonstrålar, som är snabba, elektriskt laddade atomer. De riktar en bred stråle av ädelgasjoner mot en galliumarsenidplatta, som, till exempel, används för att producera höghastighets- och högfrekventa transistorer, fotoceller eller ljusdioder. "Man skulle kunna jämföra jonbombardering med sandblästring. Det betyder att jonerna fräser av målets yta. Där, de önskade nanostrukturerna skapas helt av sig själva, "förklarar Dr. Facsko. Den fint mejslade och regelbundna strukturen påminner om sanddyner, naturliga strukturer skapade av vinden. Allt händer, dock, i nanoriket, med bara ett avstånd på femtio nanometer mellan två sanddyner - hårstrån är två tusen gånger tjockare.

Jonbombardement vid förhöjd temperatur

Vid rumstemperatur, dock, jonstrålen förstör kristallstrukturen hos galliumarseniden och därmed dess halvledande egenskaper. Dr Facskos grupp vid HZDR:s jonstrålecenter använder därför tillfället att värma provet under jonbombardemang. Vid cirka fyrahundra grader Celsius, de förstörda strukturerna återhämtar sig snabbt.

En ytterligare effekt säkerställer att nanodynerna på halvledarytan utvecklas. De kolliderande jonerna flyttar inte bara atomerna de träffar, men också slå enskilda atomer helt ur kristallstrukturen. Eftersom den flyktiga arseniken inte förblir bunden på ytan, ytan består snart bara av galliumatomer. För att kompensera för de saknade arsenikatombindningarna, par med två galliumatomer bildas, som ordnar sig i långa rader. Om jonstrålen slår ut ytterligare atomer bredvid dem, galliumparna kan inte glida ner i steget som har skapats eftersom temperaturen är för låg för att detta ska hända. Så här bildar de långa raderna av galliumpar nanodyner efter en viss tid, där flera långa par linjer ligger bredvid varandra.

Många experiment vid olika temperaturer och omfattande beräkningar var nödvändiga för att både bevara det halvledande materialets kristallina tillstånd och för att producera de väldefinierade strukturerna på nanoskala. Dr Facsko från HZDR säger, "Metoden för invers epitaxy fungerar för olika material men är fortfarande i sin grundforskningsfas. Eftersom vi använder särskilt lågenergjoner - under 1 kilovolt -, som kan genereras med enkla metoder, Vi hoppas att vi kan peka på vägen för industriellt genomförande. Tillverkning av liknande strukturer med nuvarande toppmoderna metoder kräver betydligt mer ansträngning. "