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Die Oberfläche von Silizium besser verstehen

Der Physiker Christian Eickhoff erhält am 16. November für seine Dissertation den Carl-Ramsauer Preis 2011

16.11.2011

Die Siliziumproben befinden sich in einem von Christian Eickhoff selbst konstruierten Halter in der Ultrahochvakuum-Apparatur.
Die Siliziumproben befinden sich in einem von Christian Eickhoff selbst konstruierten Halter in der Ultrahochvakuum-Apparatur. Bildquelle: Bernd Wannenmacher
Mit Hilfe des Lasersystems kann Christian Eickhoff (links) unterschiedliche Photonenenergien erzeugen: Der Wellenlängenbereich deckt beinahe das gesamte Spektrum vom Infrarot- bis in den UV-Bereich ab.
Mit Hilfe des Lasersystems kann Christian Eickhoff (links) unterschiedliche Photonenenergien erzeugen: Der Wellenlängenbereich deckt beinahe das gesamte Spektrum vom Infrarot- bis in den UV-Bereich ab. Bildquelle: MBI Berlin / Uwe Bellhäuser
Christian Eickhoff stellte auf der Siliziumoberfläche ein Interferenzphänomen fest, wie es auch bei zwei gekoppelten Pendeln auftreten kann.
Christian Eickhoff stellte auf der Siliziumoberfläche ein Interferenzphänomen fest, wie es auch bei zwei gekoppelten Pendeln auftreten kann. Bildquelle: Bernd Wannenmacher

Nein, bis auf das Ausgangsmaterial bestehe kein direkter Zusammenhang zwischen Solarzellen und seinen Experimenten, sagt Christian Eickhoff. „Ich mache Grundlagenphysik. Aber es ist nicht völlig ausgeschlossen, dass die Ergebnisse eines Tages dabei helfen, effizientere Solarzellen herzustellen.“ Mithilfe einer speziellen Messmethode und einem hochmodernen Lasersystem hat er die sogenannte Silizium(001)-Oberfläche untersucht – das Material, das heute unersetzlich ist in Computerchips, Sensoren und Solarzellen. Für seine Doktorarbeit wird Christian Eickhoff nun mit dem Carl-Ramsauer-Preis für Physik ausgezeichnet.

Die Apparatur in Eickhoffs Physiklabor könnte auch im Maschinenraum eines U-Bootes stehen: Es ist eine Stahlkammer mit silbernen Metallzylindern, vielen Kabeln und kugelförmigen Ausbuchtungen, zum Teil mit Alufolie umwickelt. Kleine runde Glasfenster erlauben hier und da einen Blick ins Innere der über zwei Meter hohen Gerätschaft, in der Eickhoff mittels verschiedenster Pumpen ein Ultrahochvakuum erzeugen kann, das dem des erdnahen Weltalls sehr ähnlich ist.

In dieser Apparatur, vor Wasser-, Kohlen- oder Sauerstoffanlagerungen geschützt, hat Eickhoff Siliziumproben starker Laserstrahlung ausgesetzt und die Elektronendynamik mit einer Zeitauflösung von wenigen zehn Femtosekunden beobachtet – eine Femtosekunde entspricht dem billiardsten Teil einer Sekunde. „Die Oberfläche von Silizium und das Verhalten der Elektronen auf dieser Oberfläche sind in der Physik noch nicht völlig verstanden“, sagt der Wissenschaftler. In seiner Dissertation „Zeitaufgelöste Zweiphotonen-Photoemission an der Si(001)-Oberfläche: Dynamik heißer Elektronen und zweidimensionaler Fano-Effekt“ hat er sich eingehend mit dem Halbleiter beschäftigt. „Je kleiner und schneller heutzutage alles wird, desto entscheidender sind die Oberflächeneigenschaften des Stoffes.“

Leistungsstarker Laser bringt neue Erkenntnisse zutage

Zusätzlich zur Ultrahochvakuum-Apparatur konzipierte Eickhoff ein spezielles Lasersystem, um die Zweiphotonen-Photoemission in gewünschtem Umfang durchführen zu können. Bei dieser Messmethode wird die Energie zweier Photonen auf ein Elektron übertragen, welches damit aus dem Festkörper herausgelöst wird. „Die Konstruktion leistet intensivere Impulse und eröffnet damit ein breiteres Spektrum an erzeugbaren Photonenenergien als andere Geräte“, sagt Eickhoff, „weltweit gibt es nur wenige Arbeitsgruppen, die mit einem solchen System arbeiten.“ Mehrere Monate lang experimentierte er mit unterschiedlichen Wellenlängen, bevor erste bislang unbekannte Eigenschaften der Silizium-Oberfläche zutage traten.

Erkenntnisse für Solarzellen der Zukunft

Zunächst stellte Eickhoff fest, dass auf Silizium bei bestimmten Anregungsfrequenzen – entgegen der Erwartungen – keine Elektronen photoemittiert werden. „Ein vergleichbares Interferenzphänomen kann auch bei zwei gekoppelten Pendeln eintreten: Obwohl man ein Pendel periodisch anregt, entsteht durch die Interaktion mit dem zweiten Pendel die Situation, dass das erste irgendwann nicht mehr schwingt.“

Außerdem konnte Eickhoff zeigen, warum angeregte Elektronen im Leitungsband von Silizium unter bestimmten Umständen über eine ungewöhnlich lange Zeitspanne eine erhöhte Temperatur beziehungsweise Energie aufweisen. „In der Literatur konnte bereits gezeigt werden, dass die Extraktion dieser langlebigen heißen Elektronen zu einer Leistungssteigerung bei Solarzellen führt. Das grundlegende Verständnis dieses Sachverhalts hat damit große wissenschaftliche und technologische Relevanz.“

Diese Erkenntnisse honorierte nicht nur Eickhoffs Arbeitsgruppenleiter und Doktorvater, Professor Martin Weinelt von der Freien Universität, der seinen Doktoranden für den Carl-Ramsauer-Preis vorschlug, sondern auch die Physikalische Gesellschaft zu Berlin. Sie vergibt die Auszeichnung alljährlich an vier Berliner Physiker für herausragende Dissertationen.