Simulation der Anodischen Auflösung von Silizium

Schickt man elektrischen Strom durch ein Stück Si im Kontakt mit einem geeigneten Elektrolyten, wird es sich oft nicht nur einfach auflösen, sondern zahlreiche, teilweise extrem seltsame Phänomene zeigen, die Gegenstand der laufenden Forschung sind.
Ein weiteres Beispiel zu dieser allgemeinen Thematik "Halbleiter - Elektrolyt Kontakt" findet sich im Link, und eine kurze Gesamtschau in einem populärwissenschaftlichen Artikel.
Hier betrachten wir die unter bestimmte Umständen beobachteten Stromoszillationen. Sie treten auf, obwohl extern eine konstante Spannung anliegt.
Dieser Effekt, obwohl altbekannt, wurde lange Zeit nicht verstanden; erst vor einigen Jahren gelang es am Lehrstuhl, das Rätsel zu lösen.
Instrumentell ist ein von J. Carstensen geschriebenes "Monte Carlo" Simulationsprogramm, das die Verhältnisse an der Grenzfläche Si - Elektrolyt im nahezu atomaren Maßstab nachvollzieht.
Es zeigt sich, und das kann in den Animationen unten gesehen werden, daß der Strom in sehr kleinen (» nm) Bereichen zwar leicht an- und ausgehen kann, daß das Geheimnis der extern beobachteten Oszillationen aber darin liegt, wie sich die vielen kleinen Lokaloszillatoren untereinander synchronisieren.
Die Simulationen zeigen:
Die extern gemessene Stromdichte ("current density"). Sie oszilliert genauso wie man das auch im Experiment findet.
Die mittlere Dicke des laufend gebildeten (und wieder aufgelösten) Oxids ("mean thickness").
Die Kapazität des Kondensators Si - Oxid - Elektrolyt ("Capacitance")- eine meßbare und gemessenen Größe
Die Rauhheit der Grenzfläche; ebenfalls ein (gemessener) Schlüsselparameter. Hier sieht man vor allem den "Perkolationsübergang", der zu einer Synchronisation der einzelen "Pixel"oszillatoren führt: Die Rauhigkeit wird plötzlich klein.
 
Current Density Mean Oxide Thickness Capacitance of Oxide Layer Roughness of Oxide Layer
local potential losses local oxide thickness HF-Oxide interface Oxide-Si interface
 

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© H. Föll (MaWi 1 Skript)