Auricher Wissenschaftstage –
Forum einer dritten Kultur
Praktikum am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung
in Stuttgart vom 13. Oktober bis zum 24. Oktober 2003
Von Alexander Börries,
André Dirks und Ina Steffens
Während unseres Praktikums in Stuttgart besuchten wir Abteilungen mit den Schwerpunkten Chemie und Physik. In der ersten Woche gingen wir getrennter Wege. Alexander beschäftigte sich mit Keramiken und ihren elektrischen Eigenschaften. Dazu mischte er am ersten Tag zwei Strontiumtitanat Proben, eine mit 3% Kobalt Dotierung und eine mit 1% Eisen Dotierung. Diese wurden im Laufe der Woche mehrmals auf 1200°C erhitzt und danach gemahlen, bis sie dann schließlich gesintert wurden. Sie wurden zur Messung des Impedanzverhaltens bei Temperaturen von 100°C bis 300°C genutzt. Bei anderen Messungen wurde die aufgenommene bzw. abgegebene Energie bei Oxidation und Reduktion der Proben ermittelt. All diese Größen sind für den späteren Einsatz in z. B. Brennstoffzellen wichtig.
Ina und André besuchten als erstes die Abteilung „Chemie Janssen“. Uns wurde gezeigt, wie durch das Verdampfen von zwei unterschiedlichen Stoffen, eine neue Verbindung geschaffen wurde. Dies geschieht unter dem Schutzgas Argon, weil alle Stoffe, mit denen gearbeitet wurde, sehr oxidierfreudig waren und so die Probe falsche Ergebnisse aufzeigen würde, wenn man in normaler Umgebung arbeitet.
Außerdem waren wir in der Kristallzucht, dies ist eine Service-Abteilung, die für Wissenschaftler Kristalle züchtet. Unter der Leitung von Frau Lacher und Herrn Bender haben wir die Abteilung kennen gelernt und auch selber ein paar Kristalle gezüchtet. Diese bestanden aus Kupferchlorid und Cäsiumchlorid. Beide Stoffe wurden mit Wasser gemischt, dann wuchsen aus dieser Lösung winzige Einkristalle. Von diesen Exemplaren durften wir auch einige mit nach Hause nehmen.
Die zweite Woche unseres Praktikums verbrachten wir in der Abteilung des Nobelpreisträgers Klaus von Klitzing. Hier werden Halbleiter und Nanoröhren erforscht. Den ersten Tag verbrachten wir im Reinraum, wo uns das Herstellen von Halbleiterstrukturen im Nanometerbereich und die Funktionsweise von Mikrochips näher gebracht wurde. Da bei der Herstellung von Mikrochips jede Verunreinigung den Chip unbrauchbar machen würde, wird die Luft im Reinraum derart stark gefiltert, dass nur noch 100, in abgegrenzten Bereichen teilweise nur 10 Schmutzteilchen pro Kubikfuß vorhanden sind. Als Grundmaterial wird ein hochreiner Einkristallhalbleiter, ein sogenannter Wafer, aus z. B. Silizium verwendet, dessen Oberfläche oxidiert wurde.
Als nächstes wird er mit einem lichtempfindlichen Lack beschichtet, der mittels Masken und UV-Licht belichtet wird. Man nennt dieses Verfahren Lithographie. In einem Säurebad kann man jetzt die belichteten Strukturen ausätzen und durch Dotieren oder Aufdampfen von Metallen erweitern. Diese Strukturierung kann nach Belieben wiederholt werden um mehrere Schichten zu erhalten. Durch die herkömmliche Belichtung mittels Licht lassen sich Strukturen im 60nm Bereich erzeugen. In der Industrie wird mit 130nm gearbeitet und 90nm angestrebt. Dieses Verfahren ist durch die Wellenlänge des verwendeten Lichts begrenzt. In Stuttgart ist aber auch einer von wenigen Elektronenstrahllithographen in Betrieb. Hierbei wird ein elektrisch ablenkbarer Elektronenstrahl genutzt, um den Lack zu belichten. Da das Problem mit dem Licht entfällt, sind hierbei Strukturen von 20nm reproduzierbar. Es lassen sich auch Strukturen wie Brücken über Leiterbahnen, sogenannte Luftbrücken, realisieren.
Der Reinraum
Danach haben wir uns mit Nanotubes beschäftigt. Nanotubes, oder auch Nanoröhrchen, sind Röhren mit einer nur ein Atom dicken Wand. Sie haben einen geringen elektrischen Widerstand, sind elektrisch und mechanisch sehr belastbar und sie können sich durch elektrische Impulse verformen und somit Muskel ersetzen. Man kann aus ihnen auch Halbleiterstrukturen herstellen, die sehr viel kleiner sind als herkömmlich hergestellte. Man unterscheidet zwischen Single-Wall-, mit nur einer Wand, und Multi-Wall-Nanotubes, die aus vielen ineinander geschobenen Röhrchen bestehen. Wir stellten Single-Wall-Nanotubes aus Kohlenstoff her. Dazu verdampften wir mit einem Strom von 50A Graphit in einer Helium-Atmosphäre mit den Katalysatoren Nickel und Yttrium. An der Hülle des Gefäßes kondensierte der Kohlenstoff in Form von Nanotubes. Wir platzierten einige auf einem Träger um sie unter dem AFM sichtbar zu machen.
Als nächstes Stand der Quanten-Hall-Effekt auf dem Plan, für den der Leiter der Abteilung, Klaus von Klitzing, seinen Nobelpreis erhielt. Bei der Reproduktion des Versuchs hatten wir Gelegenheit den Nobelpreisträger kennen zu lernen. Für diesen Versuch wird auf einen Chip eine möglichst dünne Leiterbahn aufgebracht. Wird diese bei möglichst niedrigen Temperaturen um 2K von einem Strom durchflossen und ein senkrecht zum Chip stehendes, sich langsam linear änderndes Magnetfeld zugeschaltet, so ändert sich der Widerstand des Chips – das allerdings nicht proportional, sondern stufig. Je kleiner das Magnetfeld ist, desto kleiner werden auch die Stufen. Die Hall-Spannung, also die Spannung, die man quer zur Leiterbahn misst, schlägt bei jeder Kante der Stufen aus. Die Spannungen und Widerstände sind nicht von der Länge oder dem Durchmesser des Leiters abhängig. Die von-Klitzing-Konstante beträgt 25812,8084Ω mit einer Genauigkeit von 80 Milliardstel. Dieser Effekt wird genutzt um z. B. Widerstände oder Naturkonstanten genauer bestimmen zu können.
Prof. Dietsche, André Dirks, Schüler aus Brandenburg,
Prof. v. Klitzing, Alexander Börries und Ina Steffens (v. l.)
Wir bedanken uns bei allen Mitarbeitern des Max-Planck-Institutes für die interessanten Einblicke in die Wissenschaft und bei allen anderen, die uns dieses Praktikum ermöglichten.