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Grinfeld-Instabilität

Da ab und zu jemand nachfragt, womit ich mich in meiner Uni-Zeit beschäftigt habe, hier ein paar Sätze zum Thema Grinfeld-Instabilität. Wer sich tiefer in das Thema einarbeiten möchte, findet in meinen Publikationen jede Menge Zitierungen; an dieser Stelle bleibe ich bei einer kurzen qualitativen Erklärung.

Was hat es also damit auf sich?

Ein bisschen Vorstellungskraft ist jetzt angesagt, da man den Effekt in aller Regel nicht mit bloßem Auge beobachten kann. Man denke also an einen dünnen Metallfilm auf einer sehr glatten Oberfläche. Dünn heißt hier wirklich dünn, also eine einzelne Lage Atome oder ein paar davon, aber nicht mehr. Die Oberfläche kann zum Beispiel ein Siliziumkristall oder dergleichen sein.

Wenn so eine Schicht mit weiteren Atomen des gleichen Metalls bombardiert wird (sowas macht man zum Beispiel in der Chipindustrie), dann möchte er eigentlich gleichmäßig immer dicker werden.

Es zeigt sich aber, dass sich das hinzu kommende Material aufgrund verschiedener Kräfte und Wechselwirkungen in dieser winzigen Skala nicht immer beliebig anordnen kann. Daher beginnt es quasi von selbst, kleine Hügel, Wellen oder noch komplexere Muster zu entwickeln.

Die so entstehenden Strukturen stellen letzten Endes ein Gleichgewicht zwischen all den Kräften dar, die ihre Bildung beeinflusst haben. Dazu zählen Spannungen an der Oberfläche und im Inneren des Metallfilms und auch die Wechselwirkungen mit dem darunterliegenden Material.

Genau dieses Phänomen der selbständigen Bildung regelmäßiger Muster oder Strukturen in dünnen Schichten wird als Grinfeldinstabilität bezeichnet.

Und wozu ist das gut?

Rein praktisch: Wenn man die Resultate des Effekt sehr gleichmäßig hin bekommt – das können dann zum Beispiel winzige Pyramiden sein – dann schließt sich der Bogen zu den sogenannten Quantum Dots. Für deren Herstellung mittels eines anderen Verfahrens gab es 2023 den Nobelpreis in Chemie. Auch die Grinfeld-Instabilität könnte sich hier als Basis für ein Herstellungsverfahren eignen.

Ein allgemeineres Argument: Wir haben es bei der Grinfeld-Instabilität mit einem Beispiel für selbstorganisierte Strukturbildung zu tun. Diese begegnet uns überall in der Natur in den unterschiedlichsten Varianten und ist längst noch nicht in all ihren Facetten verstanden.