Vom „Hausbau“ bis zur „Unterstützung von Bambussprossen“: Chinesische Wissenschaftler haben eine neue Methode zur Kristallherstellung entwickelt

▲Das Bild zeigt elektronische und photonische integrierte Schaltkreise auf Basis zweidimensionaler Kristalle (Bild aus Reference News)

Autor: Huang Yanhong, Huang Xianghong, Duan Yuechu

In der riesigen Welt der Wissenschaft und Technologie ist jeder große Durchbruch wie ein heller Stern, der der Menschheit den Weg nach vorn erleuchtet. Kürzlich ist chinesischen Wissenschaftlern ein Durchbruch auf dem Gebiet der Kristallmaterialien gelungen und sie haben eine neue Methode zur Kristallherstellung entwickelt, die neue Hoffnung und neue Möglichkeiten in den Bereichen Computer, Kommunikation, Luftfahrt, Lasertechnologie usw. mit sich bringt.

Kristall, dieses scheinbar gewöhnliche, aber äußerst wichtige Material, spielt in der modernen Technologie eine unverzichtbare Rolle. Von den Computern und Mobiltelefonen, die wir in unserem täglichen Leben verwenden, bis hin zu High-End-Geräten wie Luft- und Raumfahrtausrüstung und Laserwaffen sind Kristalle ein wesentlicher Bestandteil. Die traditionelle Methode zur Herstellung großer Kristalle bestand immer darin, Atome Schicht für Schicht „von unten nach oben“ auf der Oberfläche kleiner Kristallpartikel aufzustapeln, genau wie beim „Bau eines Hauses“, bei dem man mit dem Fundament beginnt und Schicht für Schicht „Ziegel legt“, bis das Gebäude schließlich steht.

Mit der rasanten Entwicklung von Wissenschaft und Technologie werden jedoch die Grenzen traditioneller Methoden immer deutlicher. Beim herkömmlichen Kristallherstellungsprozess müssen die Arten und Anordnungen der Atome streng geprüft werden, bevor sie gestapelt und zu Kristallen kombiniert werden können. Mit der zunehmenden Anzahl von Atomen gerät jedoch die Anordnung der Atome zunehmend außer Kontrolle und es kommt zu einer Ansammlung von Verunreinigungen und Defekten, was die Reinheit und Qualität der Kristalle ernsthaft beeinträchtigt und zu einem Engpass wird, der die Entwicklung verwandter Bereiche einschränkt.

Das Bild zeigt die Herstellung von zweidimensionalen Kristallen auf Waferebene mit der neuen Methode des „Gittermassentransfer-Grenzflächenwachstums“ (Bild aus Reference News)

Um dieses Dilemma zu lösen, führte das wissenschaftliche Forschungsteam der Peking-Universität eingehende Untersuchungen und Erkundungen durch und entwickelte schließlich weltweit erstmals eine neue Methode zur Kristallherstellung: das „Gittermassentransfer-Grenzflächenwachstum“. Bildlich gesprochen ist diese Methode wie das „Hochdrücken von Bambussprossen“, indem die darüberliegende Struktur gestützt wird, was eine völlig neue Idee und ein neues Modell für das Kristallwachstum mit sich bringt.

Konkret ordnete das Forschungsteam der Peking-Universität zunächst die Atome auf dem „Fundament“, also der zentimetergroßen Metalloberfläche, an, um die erste Kristallschicht zu bilden. Anschließend dringen die neu hinzugefügten Atome zwischen das Metall und die erste Kristallschicht ein, wachsen auf der vorhandenen Kristallschicht und bilden kontinuierlich neue Kristallschichten. Diese einzigartige Wachstumsmethode ermöglicht eine Aufbaugeschwindigkeit der Kristallschichten von bis zu 50 Schichten pro Minute bei einer maximalen Anzahl von 15.000 Schichten.

Noch erstaunlicher ist, dass die mit dieser neuen Methode gezüchteten Kristalle in jeder Schicht eine vollständig parallele und präzise steuerbare Atomanordnung aufweisen, wodurch die Ansammlung von Defekten wirksam vermieden und die Steuerbarkeit der Kristallstruktur erheblich verbessert wird. Mit dieser neuen Methode ist es dem Forschungsteam nun gelungen, sieben hochwertige zweidimensionale Kristalle herzustellen, darunter Molybdänsulfid, Molybdänselenid und Wolframsulfid. Die Einzelschichtdicke dieser Kristalle beträgt lediglich 0,7 Nanometer, was im Vergleich zu den derzeit weit verbreiteten 5–10 Nanometer dicken Siliziummaterialien eine bessere Leistung und breitere Anwendungsaussichten bietet.

Wenn diese zweidimensionalen Kristalle als Materialien für Transistoren in integrierten Schaltkreisen verwendet werden, kann die Integration von Chips erheblich verbessert werden. Stellen Sie sich vor, dass auf einem Chip von der Größe eines Fingernagels die Transistordichte enorm zunimmt und die Rechenleistung einen qualitativen Sprung macht. Dies bedeutet, dass unsere elektronischen Geräte kleiner, effizienter und leistungsfähiger werden und eine solide Hardwareunterstützung für die Entwicklung hochmoderner Technologien wie künstliche Intelligenz, Big Data-Verarbeitung und virtuelle Realität bieten.

Darüber hinaus können diese neuen Kristalle auch zur Frequenzumwandlungssteuerung im Infrarotbereich verwendet werden und bieten neue Möglichkeiten für die Anwendung ultradünner optischer Chips. In Zukunft werden wir möglicherweise leichtere und effizientere optische Geräte sehen, wie beispielsweise hochauflösende Kameras, fortschrittliche Lidar-Systeme usw., die revolutionäre Veränderungen in der Kommunikation, der medizinischen Versorgung, dem autonomen Fahren und anderen Bereichen mit sich bringen werden.

Dieser Durchbruch wurde am 5. Juli online in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht und erregte große Aufmerksamkeit und großes Lob seitens der internationalen Wissenschaftsgemeinschaft. Dies demonstriert nicht nur die enorme Forschungsstärke und Innovationsfähigkeit chinesischer Wissenschaftler auf dem Gebiet der Kristallmaterialien, sondern verleiht der Forschung und Entwicklung von Kristallmaterialien weltweit auch neue Dynamik.

Diese bedeutende innovative Leistung chinesischer Wissenschaftler beweist einmal mehr, dass wissenschaftliche und technologische Innovationen eine wichtige Kraft für den Fortschritt der menschlichen Gesellschaft darstellen. Wir haben Grund zu der Annahme, dass diese Technologie in Zukunft mit ihrer kontinuierlichen Verbesserung, Förderung und Anwendung mehr Komfort und Überraschungen in unser Leben bringen und einen größeren Beitrag zur Entwicklung und zum Fortschritt der menschlichen Gesellschaft leisten wird.

Wir würdigen diese herausragende Leistung der Wissenschaftler unseres Landes und freuen uns darauf, dass sie in der zukünftigen wissenschaftlichen Forschung weitere bahnbrechende Ergebnisse erzielen und weiterhin ihre Weisheit und Kraft einbringen, um den chinesischen Traum von der großen Erneuerung der chinesischen Nation zu verwirklichen und den wissenschaftlichen und technologischen Fortschritt der Menschheit sowie die Entwicklung der Zivilisation voranzutreiben!