Arbeitsgruppe Silizium & Germanium Nanostrukturen - Überblick

Leitgedanke der Forschungsarbeit der Gruppe ist die Herstellung und Charakterisierung von kristallinen Mikro- und Nanostrukturen; aktuell hauptsächlich mit der Zielrichtung einer kosten- und materialsparenden Energiekonversion und -speicherung. 

Für kostengünstige Silizium-Solarzellen steht das Wachstum polykristalliner Siliziumschichten auf amorphen Substraten im Mittelpunkt. Es wurde ein Prozess entwickelt, der, induziert durch metallische Tröpfchen, die kontrollierte Herstellung von Keimschichten durch eine amorph/kristalline-Phasenumwandlung (ALC) des zuvor aufgedampften Siliziums ermöglicht. Mit Hilfe der Temperatur-Differenz-Methode (TDM), einem ebenfalls selbst konzipierten Prozessschritt, erfolgt bei glasverträglichen Temperaturen das weitere Auskristallisieren von Silizium auf der ALC-Schicht aus einem metallischen Lösungsmittel. Die Optimierung dieses Prozesses wird durch die numerische Modellierung des Wärme- und Massetransports mit dem Programmpaket CFX begleitet. Die Charakterisierung der strukturellen, optischen und elektrischen Eigenschaften des mikrokristallinen Materials für den Absorber der Solarzelle gehört zu den vorrangigen Aufgaben.

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Ein weiteres Forschungsthema der Gruppe ist die Präparation von isolierten Cu(InxGa1-x)Se2 (CIGS) Inseln als Basis für Mikrokonzentrator-Solarzellen. Ein wesentlicher Vorteil in der Verwendung dieser Mikrostrukturen gegenüber einer für gewöhnlich geschlossenen Schicht ist die Einsparung von begrenzt verfügbaren Rohstoffen wie beispielsweise Indium. Gleichzeitig ermöglichen sie auch eine Effizienzsteigerung bei der Lichtkonversion und damit eine Erhöhung des maximalen Wirkungsgrads. 

Die gezielte Steuerung der Wachstumsrichtung und der Morphologie von Si/Ge-Nanodrähten bildet den dritten Forschungsschwerpunkt dieser Gruppe. Nanodrähte unterschiedlicher Si/Ge-Zusammensetzung werden nach der VLS-Methode gezüchtet. Bei diesem Verfahren fungieren flüssige Goldtröpfchen auf der Substratoberfläche als Wachstumskatalysatoren und als Geometriegeber für die Nanodrähte. Anwendung können diese Nanostrukturen beispielsweise in thermoelektrischen Generatoren finden, da aufgrund der speziellen Morphologie eine sehr hohe Effizienz erwartet werden kann.

Schlüsselpublikationen

R. Bansen, R. Heimburger, J. Schmidtbauer, T. Teubner, T. Markurt, C. Ehlers, T. Boeck
Crystalline Silicon on Glass by Steady-State Solution Growth Using Indium as Solvent.
APPL PHYS A 119 (2015) 1577 - 1586
doi:10.1007/s00339-015-9141-0

F. Ringleb, K. Eylers, T. Teubner, T. Boeck, C. Symietz, J. Bonse, S. Andree, J. Krüger, B.
Heidmann, M. Schmid, M. Lux-Steiner
Regularly Arranged Indium Islands on Glass/Molybdenum Substrates upon Femtosecond Laser and Physical Vapor Deposition Processing.
APPL PHYS LETT 108 (2016) 111904
doi: 10.1063/1.4943794

J. Schmidtbauer, R. Bansen, R. Heimburger, Th. Teubner, T. Boeck
MBE Growth of Germanium Nanowires Along 〈110〉.
J CRYST GROWTH 406 (2014) 36 - 40.
doi:10.1016/j.jcrysgro.2014.08.013

Arbeitsgruppe Silizium & Germanium Nanostrukturen - Methoden

Deposition methods:

  • physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) von Mo, Si, Sn, Cu, In, Ga
  • Si/Ge-Molekularstrahlepitaxie mit Feststoffquellen (MBE) und mit Gasquellen (GSMBE)
  • Si-Flüssigphasenepitaxie bei stationärem Temperaturgradienten (TDM) mit Sn als Lösungsmittel
  • Si/Ge- Flüssigphasenepitaxie (LPE) mit In, Sn, oder Bi als Lösungsmittel

Spezielle Varianten der Lösungskristallisation

  • Rekristallisation von amorphen Schichten durch metallische Lösungsmitteltropfen (ALC)
  • Erzeugung von lokal begrenzten metallischen Cu-In-Depositen für die Chalkopyrit-Umwandlung
  • Wachstum von Si/Ge-Nanostrukturen mit dem Vapour-Liquid-Solid (VLS) Verfahren
  • numerische Modellierung des Wärme- und Massetransports mit dem Programmpaket CFX
  • morphologische Charakterisierung mittels Rasterkraftmikroskopie (RKM) und Rasterelektronenmikroskopie (REM)
  • ortsaufgelöste chemische Charakterisierung mittels EDX
  • kristallographische Charakterisierung mittels RHEED

Arbeitsgruppe Silizium & Germanium Nanostrukturen - Publikationen

Publikationen

F. Ringleb, K. Eylers, Th. Teubner, H.-P. Schramm, C. Symietz, J. Bonse, S. Andree, B. Heidmann, M. Schmid , J. Krüger, T. Boeck
Growth and shape of indium islands on molybdenum atmicro-roughened spots created by femtosecond laser pulses
APPL SURF SCI 418 (2017) 548 – 553
doi:10.1016/j.apsusc.2016.11.135

C. Ehlers, R. Bansen, T. Markurt, D. Uebel, Th. Teubner, T. Boeck
Solution growth of Si on reorganized porous Si foils and on glass substrates
J CRYST GROWTH 468 (2017) 268 – 271
doi:10.1016/j.jcrysgro.2016.12.040

T. Boeck, F. Ringleb, R. Bansen
Growth of crystalline semiconductor structures on amorphous substrates for photovoltaic applications
Cryst. Res. Technol. 52, No. 1 (2017) 1600239
doi: 10.1002/crat.201600239

R. Bansen, C. Ehlers, Th. Teubner, T. Boeck
Steady-State Solution Growth of Microcrystalline Silicon on Nanocrystalline Seed Layers on Glass
J SEMICONDUCTORS 37 (2016) 093001
doi: 10.1088/1674-4926/37/9/093001

R. Bansen, C. Ehlers, Th. Teubner, K. Boettcher, K. Gambaryan, J. Schmidtbauer, T. Boeck
Silicon on Glass Grown from Indium and Tin Solutions
J PHOTON ENERGY 6 (2016) 025501    
doi: 10.1117/1.JPE.6.025501

S. Dadgostar, J. Schmidtbauer, T. Boeck, A. Torres, O. Martínez, J. Jiménez, J. W. Tomm, A. Mogilatenko, W. T. Masselink, F. Hatami
GaAs/GaP Quantum Dots: Ensemble of Direct and Indirect Heterostructures with Room Temperature Optical Emission
APPL PHYS LETT 108 (2016) 102103
doi: 10.1063/1.4943503

R. Bansen, C. Ehlers, Th. Teubner, T. Markurt, J. Schmidtbauer, T. Boeck
Continuous Polycrystalline Silicon Layers on Glass Grown from Tin Solutions
CRYST ENG COMM 18 (2016) 1911 - 1917        
doi: 10.1039/c5ce02530c

B. K. Tanner, J. Garagorri, E. Gorostegui-Colinas, M. R. Elizalde, D. Allen, P. J. McNally, J. Wittge, C. Ehlers and A. N. Danilewsky
X-Ray Asterism and the Structure of Cracks from Indentations in Silicon
J APPL CRYST 49 (2016) 250 - 259    
doi: 10.1107/S1600576715024620

V.G. Dubrovskii, Y. Berdnikov, J. Schmidtbauer, M. Borg, K. Storm, K. Deppert, J. Johansson
Length Distributions of Nanowires Growing by Surface Diffusion
CRYST GROWTH DES 16 (2016) 2167 - 2172            
doi: 10.1021/acs.cgd.5b01832

F. Ringleb, K. Eylers, T. Teubner, T. Boeck, C. Symietz, J. Bonse, S. Andree, J. Krüger, B. Heidmann, M. Schmid, M. Lux-Steiner
Regularly Arranged Indium Islands on Glass/Molybdenum Substrates upon Femtosecond Laser and Physical Vapor Deposition Processing.
APPL PHYS LETT 108 (2016) 111904
doi: 10.1063/1.4943794

B. Süss, F. Ringleb, J. Heberle
New Ultrarapid-Scanning Interferometer for FT-IR Spectroscopy with Microsecond Time-Resolution
REV SCI INSTRUM 87 (2016) 063113
doi: 10.1063/1.4953658

R. Bansen, R. Heimburger, J. Schmidtbauer, T. Teubner, T. Markurt, C. Ehlers, T. Boeck
Crystalline Silicon on Glass by Steady-State Solution Growth Using Indium as Solvent.
APPL PHYS A 119 (2015) 1577 - 1586
doi:10.1007/s00339-015-9141-0

S. Dadgostar, E. H. Hussein, J. Schmidtbauer, T. Boeck, F. Hatami, W. T. Masselink
Structural Properties of AlGaP Films on GaP Grown by Gas-Source Molecular-Beam Epitaxy.
J CRYST GROWTH 425 (2015) 94 - 98
doi: 10.1016/j.jcrysgro.2015.03.015

J. Schmidtbauer, R. Bansen, R. Heimburger, Th. Teubner, T. Boeck
MBE Growth of Germanium Nanowires Along 〈110〉.
J CRYST GROWTH 406 (2014) 36 – 40.
doi:10.1016/j.jcrysgro.2014.08.013

R. Bansen, J. Schmidtbauer, U. Juda, T. Markurt, Th. Teubner, R. Heimburger, T. Boeck
Influence of Surface Roughness on Ge Nanowire Growth by MBE. 
Physica Status Solidi (RRL) - Rapid Research Letters, 7(10) (2013) 831–834.
doi:10.1002/pssr.201307248

Bansen, J. Schmidtbauer, R. Gurke, Th. Teubner, R. Heimburger, T. Boeck
Ge In-Plane Nanowires Grown by MBE: Influence of Surface Treatment.
CrystEngComm 15 (2013) 3478 – 3483.
doi:10.1039/C3CE27047E

Teubner, R. Heimburger, T. Boeck, R. Fornari
Growth Kinetics on Silicon Facets During Low-Temperature Crystallization from Indium Solution.
Journal of Crystal Growth 347 (2012) 31 – 36.
doi:10.1016/j.jcrysgro.2012.03.004

Heimburger, R. Bansen, T. Markurt, J. Schmidtbauer, Th. Teubner, T. Boeck
Solvent-Induced Growth of Crystalline Silicon on Glass. 
In 2012 38th IEEE Photovoltaic Specialists Conference, Austin (2012) 000333–000337.
doi:10.1109/PVSC.2012.6317630

Heimburger, N. Deßmann, T. Teubner, H.-P. Schramm, T. Boeck, R. Fornari
Polycrystalline Silicon Films on Glass Grown by Amorphous-Liquid-Crystalline Transition at Temperatures Below 330°C.
Thin Solid Films 520 (2012) 1784 – 1788.
doi:10.1016/j.tsf.2011.08.084

Heimburger, Th. Teubner, N. Deßmann, H.-P. Schramm, T. Boeck, R. Fornari 
Solution Growth of Crystalline Silicon on Glass in the In–Si–Mo System.
Journal of Crystal Growth 312 (2010) 1632 – 1635.
doi:10.1016/j.jcrysgro.2010.01.043

Th. Teubner, R. Heimburger, K. Böttcher, T. Boeck, R. Fornari 
Equipment for Low-TemperatureSteady State Growth of Silicon from Metallic Solutions.
Crystal Growth & Design 8 (2008) 2484 – 2488.
doi:10.1021/cg800120q

Patente

T. Boeck,  R. Fornari, R. Heimburger, G. Schadow, J. Schmidtbauer, H.-P. Schramm, T. Teubner
Kristallisationsverfahren zur Erzeugung kristalliner Halbleiterschichten.
Deutsches Patent und Markenamt 2012-05-16
DE 102010044014 A1

T. Boeck, A. Braun, K. Schmidt
Verfahren zur Herstellung von kristallinen Schichten.
Deutsches Patent- und Markenamt 2001-06-27
EP 0843748 B1

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