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Atome auf Wanderschaft

Unterschiedlich schnelle Diffusion von Störstellen in Kristallen

Von Rainer Scharf

Makellose Ordnung ist selten in der Natur. Selbst in Einkristallen ist die regelmäßige Anordnung der Atome hie und da gestört. Plätze im Atomgitter sind unbesetzt, oder Atome halten sich in den Zwischenräumen des Gitters auf, wo sie eigentlich nicht hingehören. Diese "Fehlstellen" bewegen sich im Kristall regellos umher, sie diffundieren, und zwar um so schneller, je höher die Temperatur ist. Am Schmelzpunkt des Kristalls nehmen die Fehlstellen überhand, und die Gitterstruktur bricht zusammen. Enthält ein Kristall verschiedene Atomsorten, die gleichwertig eingebaut sind, so sollten alle Fehlstellen im wesentlichen auch gleich schnell diffundieren. Frühere Experimente schienen dies zu bestätigen. Doch jetzt haben Messungen an Galliumantimonid gezeigt, daß die Galliumstörstellen im Kristall tausendmal so schnell vorankommen wie die Störstellen, an denen Antimonatome beteiligt sind.

Galliumantimonid ist ein Halbleiter und wird unter anderem für Solarzellen, Photodetektoren und Infrarotlaser verwandt. Im Galliumantimonid-Kristall ist im Idealfall jedes Galliumatom von vier Antimonatomen umgeben und umgekehrt. Gallium und Antimon bilden zwei gleiche Atomgitter, die einander durchdringen. Um die Beweglichkeit der stets vorhandenen Störstellen und damit auch die der Atome zu messen, haben Hartmut Bracht von der Universität Münster und seine Kollegen an der University of California in Berkeley die Atome gewissermaßen markiert ("Nature", Bd. 408, S. 69). Dabei nutzten die Forscher aus, daß sowohl Gallium als auch Antimon zwei stabile Isotope besitzen, die die atomaren Massenzahlen 69 und 71 beziehungsweise 121 und 123 haben. In der Natur vorkommendes Gallium und Antimon sind eine ausgewogene Mischung der jeweiligen Isotope.

Die Wissenschaftler haben zunächst auf "natürliches" kristallines Galliumantimonid eine hauchdünne Kristallschicht aus fast isotopenreinem Galliumantimonid aufgetragen, die nahezu kein Gallium-69 und Antimon-121 enthielt. Darauf kam eine ebenso dünne Schicht, die fast frei war von Gallium-71 und Antimon-123. In diesen beiden Schichten waren die Gallium- und Antimonatome perfekt angeordnet. Anschließend wurde die Probe bis zu 18 Tage lang auf rund 700 Grad Celsius erhitzt, damit möglichst viele Störstellen entstehen und durch das Material diffundieren konnten. Schließlich analysierten die Forscher die räumliche Verteilung der Isotope im Kristall, indem sie die Probe mit einem Ionenstrahl beschossen. Dabei schlugen die Ionen die Atome nach und nach aus dem Kristall heraus, und der Ionenstrahl fraß sich langsam durch die Atomlagen. Die Atommassen der herausgeschlagenen Atome wurden mit Hilfe eines Massenspektrometers bestimmt. Auf diese Weise konnte man herausfinden, wie die verschiedenen Gallium- und Antimonisotope im Innern des Kristalls verteilt waren.

Das Ergebnis war verblüffend. Zwar waren die beiden Galliumisotope aufgrund der Bewegung der Galliumstörstellen gleichmäßig über den ganzen Kristall verteilt, und die von ihnen ursprünglich gebildete Schichtstruktur war völlig eingeebnet worden. Doch an der ungleichen Verteilung der beiden Antimonisotope hatte sich nichts geändert. Die Galliumatome hatten sich demnach mehr als tausendmal so schnell durch den Kristall bewegt wie die Antimonatome. Eine schlüssige Erklärung gibt es bisher nicht. Die Wissenschaftler vermuten indes, daß sich Galliumatome auf unbesetzte Plätze im Antimongitter setzen und auf diese Weise die Beweglichkeit der Antimonstörstellen vermindern. Zugleich hinterlassen die Galliumatome ihrerseits Störstellen, die außerordentlich beweglich sind. Was dabei genau geschieht, sollen weitere Experimente sowie quantenmechanische Berechnungen ans Licht bringen. Daß es selbst bei der Untersuchung von Halbleitern, diesen am besten erforschten Materialien, immer noch große Überraschungen gibt, ist das eigentlich Überraschende an der neuen Arbeit. 

Frankfurter Allgemeine Zeitung, 13.12.2000, Nr. 290 / Seite N3

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