Stromfluss in Nanokristall-Halbleitern ist entschlüsselt

Zürich/Lugano – Forschende der ETH haben die weltweit erste Erklärung geliefert, wie Strom in Halbleitern aus Nanokristallen geleitet wird. Dadurch können in Zukunft neue Sensoren, Laser und LEDs für Bildschirme entwickelt werden.

Nach jahrelanger Forschungsarbeit kann erstmals exakt beschrieben werden, wie Strom durch Halbleiter aus Nanokristallen geleitet wird. Dafür musste ein Team um Professorin Vanessa Wood vom Department of Information Technology and Electrical Engineering (D-ITET) der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich (ETH) mehrere hunderttausend Atome in den zahlreichen Nanokristallen von Halbleiterfilmen einzeln mathematisch beschreiben. Zudem musste für jedes Atom aufgeschlüsselt werden, wie es mit den Ladungsträgern wechselwirkt.

Denn anders als in normalen Halbleitern könnten die Atome im Kristalgitter des Nanokristall-Halbleiters nicht einfach als ruhende Punkte betrachtet werden, heisst es in einer Medienmitteilung. Im Swiss Supercomputing Centre (CSCS) der ETH in Lugano liess Nuri Yazdani, Doktorand in Woods Arbeitsgruppe und Erstautor der nun erschienenen Studie, ein komplexes Computerprogramm laufen. Darin wurden alle Details des Problems – die Bewegungen der Elektronen und Atome sowie die Wechselwirkungen zwischen ihnen – berücksichtigt.

Die Ergebnisse dieser Computersimulation zeigten, dass kleinste Verformungen der Kristalle von nur wenigen Tausendstel Nanometern zu einer grossen Änderung der elektrostatischen Energie führen. Das Modell erklärt, wie sich die elektronischen Eigenschaften des Nanokristall-Halbleiters ändern, wenn man die Grösse der Nanokristalle und ihre Packungsdichte im Film variiert. Diese Computersimulation sagten in jedem der mehreren hundert Tests die elektrischen Eigenschaften perfekt voraus.

„Nach acht Jahren intensiver Arbeit haben wir damit ein Modell geschaffen, das nicht nur unsere Experimente, sondern auch die von vielen anderen Forschungsgruppen über die vergangenen Jahre endlich quantitativ erklärt“, sagt Wood. Es werde „Forschern und Ingenieuren der Zukunft ermöglichen, die Eigenschaften eines Nanokristall-Halbleiters zu berechnen, noch bevor er hergestellt wird“.

Nanokristall-Halbleiter weisen gegenüber traditionellen Halbleitern eine enorm erweiterte Bandbreite an elektrischen Eigenschaften auf. Damit können in Zukunft nützliche Halbleiter für verschiedenste Anwendungen in Sensoren, Lasern oder LEDs entwickelt werden, etwa auch für Fernsehapparate. mm