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FAU-Wissenschaftler erforschen die Entstehung von Nitriden

Glühbirnen sind ein Auslaufmodell, Energiesparlampen sollen sie ersetzen – doch Forscherinnen und Forscher arbeiten längst an der Entwicklung neuer, extrem heller und gleichzeitig wesentlich energie-effizienterer Leuchtdioden. Dazu setzen sie Nitride ein, spezielle Kristalle, die in einem als Ammonothermal-Synthese bezeichneten Verfahren gezüchtet werden. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), der Ludwig-Maximilians-Universität München und der Universität Stuttgart wollen dieses Verfahren genauer erforschen. Jetzt fördert die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) das Projekt „Chemie und Technologie der Ammonothermal-Synthese von Nitriden“ für zunächst drei Jahre mit rund 2,7 Millionen Euro.

Aufgeteilt auf sieben Teilprojekte wollen die Wissenschaftlerteams elementare Erkenntnisgrundlagen für die Ammonothermal-Synthese schaffen. Ihr Ziel ist es, die während der Synthese ablaufenden Prozesse zu verstehen, zu beeinflussen und daraus wissenschaftliche Erkenntnisse abzuleiten für die gezielte Zucht von Nitriden sehr hoher Qualität. Die Ergebnisse sollen die Grundlage bilden für die Entwicklung neuer Stoffe und Materialien auf Nitrid-Halbleiterbasis, die dann zum Beispiel in Leuchtdioden oder Lasern, aber auch vielen anderen Bereichen, wie z. B. der Halbleiterelektrotechnik, genutzt werden könnten.

Von der FAU sind neben dem Sprecher des Projekts, Prof. Dr. Eberhard Schlücker (Leiter des Lehrstuhls für Prozessmaschinen und Anlagentechnik), an dem Projekt beteiligt: Prof. Dr. Wilhelm Schwieger (Lehrstuhl für Chemische Reaktionstechnik), Prof. Dr. Peter Wellmann (Lehrstuhl für Werkstoffwissenschaften [Werkstoffe der Elektronik und Energietechnik]), Prof. Dr. Lothar Frey (Leiter des Lehrstuhls für elektronische Bauelemente) und Dr. Elke Meißner (Fraunhofer IISB).

Die Ammonothermal-Synthese

„In heutigen Leuchtdioden, den LEDs, wird beispielsweise Galliumnitrid verwendet“, erläutert Prof. Schlücker. „Das Galliumnitrid wird in einer Schicht z. B. auf Saphir-Substrate aufkristallisiert mit dem Resultat eines mit wenig Energieaufwand hell leuchtenden Lichts.“ Diese Methode hat jedoch den Nachteil, dass durch die unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften der Kristalle und des Substrates Spannungen in dem Bauelement entstehen, die zu einer großen Zahl von Kristallbaufehlern (Versetzungen), zu schlechter Haltbarkeit und oft zu nicht befriedigender Materialqualität führen. Die Lösung für dieses Problem sind Einkristalle, also Kristalle, die nicht auf andere Substrate aufwachsen, sondern auf kleine Kristallstücke, die aus dem gleichen Material bestehen wie sie selbst. Eine der vielversprechendsten Methoden zur Herstellung solcher Einkristall-Nitride ist die Ammonothermal-Synthese: In einer Atmosphäre von Ammoniak, unter sehr hohem Druck von 3000 Bar und bei rund 600 Grad Celsius entstehen in gasdicht verschließbaren Druckbehältern diese Kristalle. „Doch welche einzelnen Reaktionsschritte dabei ablaufen und warum genau die Kristalle wachsen, welche Stoffe dabei eine unterstützende Rolle spielen und wie der Stofftransport dabei stattfindet, ist noch unbekannt“, sagt Schlücker. Aufgrund der extremen Reaktionsbedingungen konnten Wissenschaftler noch nie Messungen bei den während der Reaktion ablaufenden unterschiedlichen Prozessen durchführen.

Das Forschungsprojekt der Erlanger Wissenschaftler

Die einzelnen Teilprojekte zielen auf die Erforschung unterschiedlicher Aspekte bei der Ammonothermal-Synthese. So soll zum einen hochreines Galliumnitrid erzeugt werden, das die Grundlage für die Herstellung energieeffizienter Leuchtdioden bildet. Zum anderen will das Forscherteam neue Messverfahren entwickeln, mit denen es alle Aspekte der Synthese exakt analysieren kann. Dafür haben Prof. Schlücker und der Koordinator des Projekts, Dr. Nicolas Alt, unter anderem eine „Sichtzelle“ entwickelt. Diese Zelle ermöglicht es erstmals, bei den hohen Drücken und Temperaturen die Strömungsverhältnisse und Reaktionsvorgänge in den Druckbehältern mit High-Speed-Kameras und Laserspektroskopischen Messtechniken aufzunehmen. Darauf aufbauend sollen die Kristallisationsprozesse optimiert und zugleich neue Nitridarten entwickelt werden. Geplant ist außerdem die Herstellung verbesserter Apparaturen, in denen die Nitride gezüchtet werden können.

Mehr Informationen gibt es im Internet unter www.ammono-for.de.

Weitere Informationen für die Medien:

uni | mediendienst | forschung Nr. 46/2011 vom 27.9.2011