Gitterpassung

Gitterpassung, auch als lattice matching bezeichnet, ist ein Begriff aus der Kristallographie und den Materialienwissenschaften, der die Übereinstimmung der Gitterparameter zweier kristalliner Phasen an einer Grenzfläche beschreibt. Eine gute Gitterpassung reduziert Eigenspannungen und Defekte an der Grenzfläche und begünstigt kohärentes oder nahezu kohärentes Wachstum von dünnen Filmen, Schichten oder Nanostrukturen.

Die Passung wird üblicherweise über die Gitterkonstanten der Substrat- und Filmphase beschrieben. Der Gitterfehler f wird oft als f = (a_f - a_s) / a_s angegeben, wobei a_f die Gitterkonstante des Films und a_s die des Substrats ist. Kleine Fehler ermöglichen kohärentes Wachstum; größere Fehler führen zu semikohärenter oder inkohärenter Struktur mit Versetzungen und Defekten.

Gitterpassung beeinflusst maßgeblich die mechanische Spannungsverteilung, die Kristallqualität und die elektronische Eigenschaften von Grenzflächen. Bei geringer Passung bleibt der Film elastisch gespannt; bei Überschreitung einer kritischen Dicke entstehen Misfit-Dislocations, die Spannungen abbauen. Abstrakte oder große Fehlpassungen können zu Verformungen, Oberflächenrauheit oder veränderten optischen Eigenschaften führen.

In der Praxis ist Gitterpassung in der Halbleitertechnik und der Funktionsmaterialkunde zentral. Typische Anwendungen umfassen epitaktische Schichtsysteme wie III-V-Halbleiter auf Silizium oder Sapphire, Oxid- und Perowskit-Übergangsstrukturen sowie mehrschichtige Dünnfilme in Optoelektronik und Informationstechnik. Strategien zur Optimierung umfassen die sorgfältige Materials-Auswahl, den Einsatz von Puffer- bzw. Graded-Buffer-Schichten, Substratorientierung und kontrollierte Wachstumsbedingungen.

Charakterisierungsmethoden umfassen Röntgen-Diffraktometrie (inklusive Reciprocal-Space-Mapping), Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und obere Wachstumsanalysen wie RHEED, mit denen Gitterabgleich, Dislokationen und Kohärenz beurteilt werden.