Züchtung von Delafossit-Substratkristallen

• Antragsteller: Professor Dr. Dietmar Siche
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 267463722

Delafossite gelangten erst in den letzten Jahren erneut in den Fokus der Forschung. Sie sind als transparente, p-leitende ABO2-Oxidhalbleiter bekannt. Ihre begehrten Eigenschaften, wie p-Leitung für die Oxidelektronik und hohe thermoelektrische Güte für Thermoelektrika, waren wegen der unzureichend entwickelten Züchtungsverfahren bisher kaum angemessen nutzbar. Die kristalline Perfektion dünner, heteroepitaktisch, bevorzugt mit der Pulsed Laser Deposition gewachsener Schichten ist gering. Das Potenzial des Materials kommt daher nicht zur Geltung.Die Recherche zum vorgeschlagenen Forschungsprogramm und die Vorarbeiten zur Thermodynamik und Kristallzüchtung stützen die These, dass CuAlO2 ein sehr aussichtsreiches Delafossit ist. Deshalb soll eine neuartige Züchtungstechnologie für CuAlO2-Substratkristalle zur Homoepitaxie entwickelt werden. Sie beruht auf einer verfeinerten experimentellen Untersuchung des Phasendiagrammes und auf dem Einsatz einer reaktiven Atmosphäre bei der Top Seeded Solution Züchtung aus dem Cu2O-Eigenflussmittel. Damit besteht eine reale Chance, die Ursachen für den geringen Fortschritt der letzten drei Jahrzehnte bzgl. Kristallgröße (aktuell 5 x 5 x 0,3 mm3 ohne Keimvorgabe) und Phasenreinheit (das Cu+ - Cu2+ -Gleichgewicht ist Sauerstoff- und Temperaturempfindlich) zu überwinden. Ziel ist es die Eignung des Konzeptes der reaktiven Atmosphäre für den Züchtungsprozess zu untersuchen und diesen Prozess zu verstehen. Auf dieser Grundlage könnten bisherige, die Kristallgröße und Perfektion limitierende Barrieren überwunden und die Eignung der Kristalle als Epitaxiesubstrat nachgewiesen werden. Erreicht werden soll dieses Ziel durch Züchtungsversuche in einer zu modifizierenden Czochralski-Anlage, in der bereits Vorversuche zum Schmelzverhalten von Kupferoxid in verschiedenen Tiegeln durchgeführt wurden. Dabei sind die wesentlichen Arbeitsschritte Eignungstests verschiedener Tiegelmaterialien, das Pressen und Sintern von Pulvergemischen, die Keimpräparation, Züchtungsversuche zur Optimierung der Wachstumsraten und Kristallperfektion und eine zur Züchtung zeitnahe Materialcharakterisierung, deren Ergebnisse der Parameterwahl in Folgeversuchen dienen. Schließlich sollen nach der Untersuchung des Einflusses der Kristallperfektion auf die Leitfähigkeit (freie Kristallite und massive Kristalle im Vergleich zu Schichten auf Fremdsubstrat) Dotierungsversuche mit alternativen Akzeptoren durchgeführt werden, um die elektrischen Eigenschaften zu verbessern ohne die optische Transparenz der Kristalle wesentlich einzuschränken.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Privatdozent Dr. Detlef Klimm; Dr. Detlev Schulz