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News: Selbstheilende Halbleiter

Die Fähigkeit, kleine Wunden ohne Hilfe von außen selbst zu heilen, gehört zu den bemerkenswerten Besonderheiten lebender Organismen. Aber auch einfachere Systeme sind manchmal in der Lage, Defekte wieder zu reparieren. So wandern bei einem bestimmten Halbleiter Atome im Kristallgitter umher und beheben die Schäden.
Solarzellen, die Sonnenlicht in elektrischen Strom umwandeln, könnten eine ideale Möglichkeit zur Nutzung der Sonnenenergie bieten. Leider bestehen die entsprechenden Anlagen jedoch aus Materialien, die entweder sehr teuer oder gegenüber der Strahlung oder anderen Umweltfaktoren relativ empfindlich sind.

Die Lösung des Problems liegt vielleicht im Geheimnis eines bisher noch im experimentellen Stadium befindlichen Halbleiters. Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid kostet nicht viel, weil nur sehr geringe Mengen davon benötigt werden. Es ist zudem extrem dauerhaft – eine Eigenschaft, die Wissenschaftlern schon lange Rätsel aufgegeben hat, weil sie dem gesunden Menschenverstand zu widersprechen scheint. Denn Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid ist so komplex, daß es eigentlich leicht aufgespalten werden sollte. Doch selbst unter rauhen Bedingungen – wie zum Beispiel im Weltraum – bleibt es über lange Zeit intakt.

Nun konnte diese Rätsel von einem internationalen Team gelöst werden. David Cahen vom Materials and Interfaces Department des Weizmann Institutes, Leeor Kronik von der Tel Aviv University sowie Kollegen der CNRS in Frankreich und der Universität Stuttgart um Hans-Werner Schock haben ihre Erkenntnisse im Juni 1999 auf der European Materials Research Conference in Straßburg präsentiert und werden sie in einer der kommenden Ausgaben von Advanced Materials veröffentlichen.

Ihre Entdeckung beruht unter anderem auf Untersuchungen mit Röntgenstrahlen an Kupfer-Indium-Diselenid, einem verwandten Material. Danach brechen unter geeigneten Bedingungen die Bindungen zwischen bestimmten Atomen des Kristalls recht leicht. Außerdem können Kupferatome sich innerhalb des Halbleiters verschieben. Diese Erkenntnis war äußerst überraschend: Derartige Bewegung in festen, nicht-lebenden Materialien ist ungewöhnlich, und extrem selten bei Substanzen, die in elektronischen Geräten verwendet werden. Gerade bei einem Halbleiter, der für seine Stabilität bekannt ist, hatte niemand mit einer Mobilität der Atome gerechnet.

Eine weitere noch überraschendere Erkenntnis lieferte die Erklärung für die rätselhafte Dauerhaftigkeit des Materials. Sobald einige Bindungen gebrochen sind, wandern die beweglichen Kupferatome im Kristall umher und reparieren die Schäden. Als Antrieb dient das Bestreben des Systems, eine möglichst energiearme Gleichgewichtslage einzunehmen. "Jetzt verstehen wir, wie Solarzellen aus Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid es schaffen, zu überleben und sogar in feindlichen Umgebungen, wie man sie auf Satelliten antrifft, wirksam funktionieren zu können: Sobald sie beschädigt sind, zum Beispiel durch Strahlung, 'heilt' sich dieses 'clevere' Material einfach selbst und stellt seine frühere Funktion wieder her", sagt Cahen.

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