Mit einer Apparatur wie dieser ist ein Blick ins Innere der Reaktion möglich.

Bild: Fuchs

Was nach der Energiesparlampe kommt

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Glühbirnen sind ein Auslaufmodell. Energiesparlampen sollen sie ersetzen. Doch die Forschung arbeitet längst an der Entwicklung neuer, extrem heller und vor allem energieeffizienter Leuchtdioden. Dazu setzt sie Nitride ein: spezielle Kristalle, die in einem als Ammonothermal-Synthese bezeichneten Verfahren gezüchtet werden. Wissenschaftler der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), der Ludwig-Maximilians-Universität in München und der Universität Stuttgart erforschen dieses Verfahren jetzt genauer. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft fördert das Projekt „Chemie und Technologie der Ammonothermal-Synthese von Nitriden“ für zunächst drei Jahre mit 2,7 Mio. Euro.
Aufgeteilt auf sieben Teilprojekte, wollen die Wissenschaftler Erkenntnisgrundlagen für die Ammonothermal-Synthese schaffen. Ziel ist, die während der Synthese ablaufenden Prozesse zu verstehen, zu beeinflussen und daraus Erkenntnisse abzuleiten für die Zucht von Nitriden hoher Qualität. Die Ergebnisse sollen genutzt werden für die Entwicklung neuer Stoffe und Materialien auf Nitrid-Halbleiterbasis. Diese könnten dann etwa in Leuchtdioden oder Lasern eingesetzt werden oder in der Halbleiter-Elektrotechnik.

„In heutigen Leuchtdioden, den LEDs, wird beispielsweise Galliumnitrid verwendet“, erläutert Eberhard Schlücker. Er ist Sprecher des Projekts und leitet den Lehrstuhl für Prozessmaschinen und Anlagentechnik an der FAU. „Das Galliumnitrid wird in einer Schicht zum Beispiel auf Saphir-Substrate aufkristallisiert mit dem Resultat eines mit wenig Energieaufwand hell leuchtenden Lichts.“ Die Methode hat jedoch den Nachteil, dass durch die unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften der Kristalle und des Substrats Spannungen in dem Bauelement entstehen. Diese führen zu einer großen Zahl von Kristallbaufehlern – zu Versetzungen – und zu schlechter Haltbarkeit, die oft eine unbefriedigende Materialqualität bedingt. Die Lösung sind Einkristalle. Letztere wachsen nicht auf andere Substrate auf, 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 Druck von 3000 bar und bei rund 600 °C 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, das ist noch unbekannt“, sagt Schlücker. Aufgrund der extremen Reaktionsbedingungen konnten Wissenschaftler noch nie Messungen bei den während der Reaktion ablaufenden unterschiedlichen Prozessen durchführen.
Die 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 Schlücker und der Koordinator des Projekts, Nicolas Alt, unter anderem eine so genannte Sichtzelle entwickelt. Diese Zelle ermöglicht es erstmals, bei den hohen Drücken und Temperaturen die Strömungsverhältnisse und Reaktionsvorgänge in den Druckbehältern mit Highspeed-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.
Weitere Information unter www.ammonofor.de