Größenkontrollierte Herstellung von Ge-Nanokristallen in Hoch-Epsilon-Dielektrika auf Basis von ZrO2

Nanokristalle werden beispielsweise für eine Anwendung in Solarzellen, Lichtemittern und nichtflüchtigen Datenspeichern diskutiert. Damit diese Anwendungen funktionieren können, ist eine genaue Kontrolle der Kristallitgröße sowie der Flächendichte und Lage der Kristallite in der Matrix wichtig. Zudem sollte die Matrix amorph sein, da amorphe Matrixmaterialien die Nanokristall-Oberfläche besser passivieren und beständiger gegen Leckströme sind. In dieser Arbeit werden Ge-Nanokristalle in die Hoch-Epsilon-Dielektrika ZrO2 und TaZrOx eingebettet. Im System Ge/ZrO2 kristallisieren die Ge-Cluster und die ZrO2-Matrix bei der gleichen Temperatur. Aufgrund der kristallinen Matrix weicht die Form der Ge-Nanokristalle von einer Kugel ab, worunter unter anderem die Größenkontrolle leidet. Die Beimischung von Ta2O5 stabilisiert die amorphe Phase des ZrO2 und verhindert dadurch die gemeinsame Kristallisation. Dadurch wird es im System Ge/TaZrOx möglich, kugelförmige Ge-Nanokristalle im Größenbereich von 3 nm bis 6 nm positionskontrolliert in eine amorphe Matrix einzubetten. Für die Untersuchung einer möglichen Anwendung des Materialsystems wurden Speicherzellen eines nichtflüchtigen Datenspeichers auf Basis von Ge-Nanokristallen hergestellt. Dabei zeigte sich, dass das System Ge/TaZrOx überdurchschnittlich viele Ladungen speichert und daher für diese Anwendung vielversprechend ist. Zudem stabilisiert die Beimischung von Ta2O5 eine extrem seltene orthorhombische Modifikation des ZrO2. Für ferroelektrische Datenspeicher könnte diese Phase eine aussichtsreiche Alternative zum HfO2 sein