Wissenschaft + Forschung

Beim Chlorophyllabbau entstehen Phyllobiline. Sie galten lange als Abfallprodukte eines Entgiftungsprozesses, zeigen sich aber nun als pharmakologisch aktiv. Diese Pflanzeninhaltsstoffe k&ouml;nnen wichtig f&uuml;r die Lebensmittelindustrie sein.
Chlorophyll ist eines der wichtigsten Pigmente und essenziell f&uuml;r das Leben auf der Erde. Der herbstliche Abbau des gr&uuml;nen Blattfarbstoffs auf der Erde zersetzt zirka 109 Tonnen Chlorophyll.1)
Chlorophyll ist in der Pflanzenzelle vor allem in den Photosystemen der Chloroplasten in Proteinkomplexen gebunden. Sobald die Bindungsproteine Chlorophyll w&auml;hrend der Alterung (Seneszenz) freilassen, ist es potenziell phototoxisch und wird daher von der Pflanze abgebaut.2)
Obwohl der Prozess des <xref rid="nadc20224119948-fig-0001" ref-type="fig">Chlorophyllabbaus</xref> f&uuml;r das Verst&auml;ndnis der Pflanzenbiologie wichtig ist, tappten Forscher:innen bei der Suche nach den Abbauprodukten (Kataboliten) lange im Dunkeln &ndash; vor allem, da man annahm, dass die Endprodukte des Chlorophyllabbaus farbig seien. Im Jahr 1991 wurde das erste aus dem Chlorophyllabbau stammende lineare Tetrapyrrol aus seneszenten Gerstenbl&auml;ttern isoliert. Seine Struktur wurde charakterisiert, und es erwies sich als farblos.3) Damit war die Grundlage f&uuml;r die Entdeckung weiterer Abbauprodukte geschaffen.
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<figcaption><label>Abb. 1: </label>Struktur von Phylloxanthobilin, einem Abbauprodukt des Chlorophylls.</figcaption>
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Dennoch dauerte es fast zwei Jahrzehnte, bis ein gelber Chlorophyllkatabolit in seneszenten Bl&auml;ttern des japanischen Katsurabaums identifiziert wurde. Dieser gelbe Katabolit YCC (yellow chlorophyll catabolite), sp&auml;ter als Phylloxanthobilin (PxB) bezeichnet, tr&auml;gt zur Herbstf&auml;rbung bei.4)
<h2>Abbauweg und Kataboliten</h2>
Vor allem Bernhard Kr&auml;utler und Stefan H&ouml;rtensteiner, zwei Pioniere der Chlorophyllabbau-Forschung, haben den Abbauweg und die Kataboliten, die am Ende des Chlorophyllabbaus entstehen, die Phyllobiline, erkannt. Der Abbauweg wird heute als PAO/Phyllobilin-Weg bezeichnet.5) PAO steht dabei f&uuml;r das Schl&uuml;sselenzym Ph&auml;ophorbid-a-Oxygenase, das den Porphyrinmakrocyclus linearisiert.
W&auml;hrend der Chlorophyllabbau anf&auml;nglich enzymatisch streng kontrolliert ist, verzweigt er sich im Cytosol je nach Pflanzenart. In den meisten untersuchten F&auml;llen gelangen fl&uuml;chtige fluoreszierende Chlorophyllkataboliten direkt in die Vakuole. Darin werden sie nichtenzymatisch zu farblosen Chlorophyllkataboliten (NCCs), sp&auml;ter als Phylloleucobiline (PleBs) bezeichnet. Diese PleBs scheinen stabile Abbauprodukte von Chlorophyll zu sein, da sie sich in seneszenten Pflanzen ansammeln.6) Bei einigen Pflanzenarten werden PleBs jedoch zu PxBs &ndash; wie, ist noch nicht gekl&auml;rt. Als wahrscheinlich gilt eine oxidative Aktivit&auml;t, die die Umwandlung von PleBs in PxBs katalysiert.7) Die Struktur des PleB unterscheidet sich von der des gelben PxB nur in einer Doppelbindung.
PxBs lassen sich &ndash; zumindest chemisch &ndash; zu rosafarbenen Pigmenten oder Phylloroseobilinen (PrBs) oxidieren (<xref rid="nadc20224119948-fig-0002" ref-type="fig">Abbildung</xref> unten).8) PrBs wurden bisher nur in Spuren in Pflanzenextrakten nachgewiesen.
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<figcaption><label>Abb. 2: </label>Biochemischer Abbauweg von Chlorophyll. Nach fr&uuml;hen Schritten im Chloroplasten reichern sich Phylloleucobiline (PleBs) in den Vakuolen an. Farbige Pigmente, die gelben Phylloxanthobiline (PxBs) und rosafarbenen Phylloroseobiline (PrB), entstehen durch noch unbekannte Mechanismen aus PleBs.</figcaption>
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Bisher ist die Funktion der Phyllobiline f&uuml;r die Pflanze unklar. In einer Studie von M&uuml;ller und Team erwiesen sich ein PleB aus Schalen reifer &Auml;pfel und Birnen als Antioxidanz. Das waren erste Hinweise darauf, dass Phyllobiline in der menschlichen Nahrung wertvoller sind als angenommen.9)
In der Zwischenzeit haben wir Bioaktivit&auml;ten von Phyllobilinen in Bezug auf die menschliche Gesundheit erforscht:
PxBs aus dem roten Sonnenhut (Echinacea purpurea) &ndash; einer Arzneipflanze, die in der Phytotherapie zur Pr&auml;vention und Behandlung von Erk&auml;ltungskrankheiten eingesetzt wird &ndash;, haben antioxidatives Potenzial. Die Wirkung &uuml;bertraf in In-vitro-Experimenten sogar die der Kaffees&auml;ure, eines der wichtigsten antioxidativen Inhaltsstoffe in Echinacea, und &auml;hnelte der Wirkung von Kaffees&auml;ure in zellul&auml;ren Ans&auml;tzen. Zudem fangen PxBs radikale Sauerstoffspezies (ROS) in menschlichen Zellen ab und sch&uuml;tzen diese so vor oxidativem Stress. Ein PxB aus Brennnesseltee, das identisch ist mit einem der sechs PxBs aus Echinacea, wirkt nicht nur antioxidativ, sondern hemmt auch die entz&uuml;ndungsf&ouml;rdernden Enzyme COX-1 und COX-2.10)
<h2>Farbige Phyllobiline gegen Krebs</h2>
Phyllobiline sind mehr als nur Antioxidanzien &ndash; PxB verhindert das Wachstum von Krebszellen und l&ouml;st in diesen den Zelltodmechanismus Apoptose aus. Zudem verursacht es einen Zellzyklusarrest, also das Anhalten des Zellzyklus in einer bestimmten Phase. Dadurch wird die Zellteilung verhindert.
Im Gegensatz zu PxB wirken PleBs nicht krebshemmend. Modifizieren eines PleBs durch Verestern der Propions&auml;ureseitenkette liefert jedoch Derivate, die besser als PxB und unmodifizierte PleBs von Krebszellen aufgenommen werden und deren Wachstum ebenfalls mindern.10) Dieser einfache medizinisch-chemische Ansatz birgt Potenzial, um die Antikrebswirkung von Phyllobilinen zu verbessern, und k&ouml;nnte sich als n&uuml;tzlich zur Entwicklung von Phyllobilinen als Krebstherapeutika erweisen. Dies wird derzeit untersucht.
<h2>Destabilisieren Phyllobiline und Biline Aktin?</h2>
Um Bioaktivit&auml;ten und physiologische Wirkungen von Naturstoffen zu verstehen, ist es zentral, direkte Proteininteraktionen und Targets zu identifizieren. Auf der Suche nach potenziellen Interaktionspartnern der Phyllobiline untersuchten wir auch die von der Struktur her &auml;hnlichen Abbauprodukte des roten Blutfarbstoffs H&auml;m, die Biline. Wie die Phyllobiline galten auch Biline lange nur als Abfallprodukte. Seit der Erkenntnis, dass Biline physiologisch relevante Bioaktivit&auml;ten haben, vermutete man eine gr&ouml;&szlig;ere Bedeutung der aus dem Chlorophyllabbau stammenden Tetrapyrrole.
Um die Rolle der Phyllobiline und Biline weiter zu erforschen, testeten wir die Strukturen in einem funktionellen Screening auf Krebszellen. In einem Wundheilungstest hemmen sowohl die Pigmente aus dem Chlorophyllabbau &ndash; PxB und PrB &ndash; als auch die des H&auml;mabbaus Bilirubin und Biliverdin die Migration von Krebszellen (<xref rid="nadc20224119948-fig-0003" ref-type="fig">Abbildung</xref> unten).
<figure><img src="https://media.graphcms.com/EHc20B5Soyd4avI2OiZ8" />
<figcaption><label>Abb. 3: </label>a) Die Abbauprodukte der Pigmente Chlorophyll und H&auml;m, die Phyllobiline und die Biline, binden das Cytoskelettprotein Aktin. Dieses ist das erste entdeckte menschliche Target von Phyllobilinen und ein neues Target von Bilinen. b) Phyllobiline und Biline hemmen die Migration von Krebszellen in einem Wundheilungstest. Dabei wurde eine Wundfl&auml;che in einem dichten Zellrasen erzeugt und die Bewegung der Zellen nach Behandlung mit den Substanzen &uuml;ber einen Zeitraum von bis zu 24 Stunden beobachtet. Die Behandlung mit fetalem K&auml;lberserum (FCS) und ohne FCS dienten als Kontrollen. Behandeln mit PxB und PrB sowie mit den Bilinen Bilirubin (BR) und Biliverdin (BV) hemmt die Migration der Zellen. Das PrB zeigte dabei Effekte im niedrigen nanomolaren Bereich. c) Effekte von Phyllobilinen auf die Morphologie des Aktincytoskeletts. Werden Krebszellen mit PxB und PrB behandelt, agglomerieren Aktinfilamente. Aufnahmen zeigen Zervixkarzinomzellen (HeLa-Zellen), die vier Stunden lang ohne (ctrl) oder mit den Phyllobilinen PxB und PrB behandelt und durch Immunfluoreszenz (Zellkern in blau und Aktin in rot) gef&auml;rbt wurden. Ma&szlig;stab: 50 &micro;m. Abbildung angepasst aus Originalpublikation 14)</figcaption>
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Die Zellmigration ist ein zentraler Prozess, der unter anderem bei der Embryoentwicklung, der Immunabwehr und der Metastasierung von Tumorzellen entscheidend ist. Wichtig in der Zellmigrationsmaschinerie sind Aktinfilamente. Diese bestehen aus dem Strukturprotein Aktin und sind entscheidende Bestandteile des Cytoskeletts, also dem aus Proteinen aufgebauten Netzwerk im Cytoplasma eukaryotischer Zellen. Durch den dynamischen Auf- und Abbau (Polymerisation und Depolymerisation) tragen Aktinfilamente unter anderem zur Bewegungsf&auml;higkeit der Zelle, der Zellmigration, bei. Daher untersuchten wir, wie unsere Verbindungen auf die Aktinmorphologie in Zellen wirken sowie auf die Aktindynamik in vitro. Dazu nutzten wir fluoreszenzmarkiertes Aktin:
In Krebszellen, die mit Phyllobilinen behandelt wurden, agglomerieren die Aktinfilamente (Abbildung unten). Zudem hemmen die Phyllobiline und Biline die Polymerisation und Nukleation von Aktinfilamenten und beschleunigen den Depolymerisationsprozess. Das macht sie potenziell zu Destabilisatoren des Aktincytoskeletts. Das pinke Phyllobilinpigment zeigte bei allen Versuchen die st&auml;rksten Effekte bei einer Konzentrationen von etwa 30 nM PrB: Die Migration von Krebszellen wurde gehemmt, und es entstanden unter dem Mikroskop sichtbare Aktinagglomerate. Dies l&auml;sst auf eine direkte Bindung der Substanzen mit dem Cytoskelettprotein schlie&szlig;en.
Wie Affinit&auml;tschromatographie und biophysikalische Methoden best&auml;tigen, verursacht eine Bindung mit monomerem G-Aktin die beobachteten Effekte auf Aktin und aktin-abh&auml;ngige Prozesse. Zudem lie&szlig; sich die Bindung durch Dissoziationskonstanten charakterisieren. Hierbei best&auml;tigten sich die Beobachtungen aus den biologischen Untersuchungen: PrB ist von den vier untersuchten Tetrapyrrolen die Substanz, die am st&auml;rksten mit G-Aktin wechselwirkt.11)
Obwohl Phyllobiline und Biline ubiquit&auml;r in der Natur sind, ist nicht klar, welche Bedeutung ihre Entstehung beim Chlorophyll- und H&auml;mabbau hat. Bakterien, Pflanzen oder Tiere produzieren Naturstoffe mit aktinbindenden Eigenschaften, und mehreren Studien zufolge haben diese Substanzen m&ouml;glicherweise eine Funktion bei den Abwehrmechanismen des jeweiligen Organismus. Vor kurzem wurden Phyllobiline mit der Pathogenabwehr von Pflanzen in Verbindung gebracht, genauer mit Fransenfl&uuml;glern (Thripse) und Pilzbefall.12) Indem Aktin nun als erstes menschliches Target der Phyllobiline und als neues Target f&uuml;r Biline identifiziert ist, sind wir n&auml;her daran, die Bedeutung dieser Tetrapyrrole zu verstehen. Zudem &ouml;ffnen diese Erkenntnisse die T&uuml;r f&uuml;r therapeutische Anwendungen.
<h2>Phyllobiline in Lebensmitteln</h2>
Chlorophyllabbau findet nicht nur w&auml;hrend der Seneszenz von B&auml;umen und Str&auml;uchern statt, sondern auch w&auml;hrend des Reifens von Obst oder beim Lagern von Gem&uuml;se. PleBs reichern sich in den Vakuolen der Pflanzenzelle an.9) Phyllobiline sind somit Teil der menschlichen Nahrung.
Wie Studien mit Spinat und Brokkoli zeigen, ist das biochemische Programm des Chlorophyllabbaus auch nach der Ernte aktiv; daher entstehen in gelagerten Lebensmitteln zunehmend Phyllobiline.13,14) Dies best&auml;tigt der Alterungsprozess von Eisbergsalat w&auml;hrend einer Lagerzeit von sieben Tagen. Wie Zeitrafferaufnahmen und Analysen t&auml;glich entnommener Proben zeigen, steigt der Phyllobilingehalt im Lauf der Zeit (<xref rid="nadc20224119948-fig-0004" ref-type="fig">Abbildung</xref> oben).15)
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<figcaption><label>Abb. 4: </label>Phyllobiline sind Bestandteil menschlicher Nahrung, und das Wissen &uuml;ber diese antioxidativen Inhaltsstoffe erh&ouml;ht die Bereitschaft, gelagerten Salat zu essen. a) Momentaufnahmen einer Zeitrafferstudie, die den Alterungsprozess von Eisbergsalat w&auml;hrend der Lagerung zu Hause zeigt, und Anstieg des Phyllobilingehalts in Eisbergsalat in Abh&auml;ngigkeit von der Lagerungszeit. b) Ergebnisse einer Online-Konsumentenstudie mit 1103 Befragten. Anteil (%) der Befragten in der Phyllobilin- und Kontrollgruppe, die angaben, den Salat an den Tagen 1 bis 7 der Lagerung verzehren zu wollen (*p &lt; 0,01, **p &lt; 0,001). Abbildung angepasst aus Originalpublikation 16)</figcaption>
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&Auml;ndert das Wissen &uuml;ber Phyllobiline etwas an der Einstellung von Menschen gegen&uuml;ber Gem&uuml;se? Das haben wir mit Jutta Roosen und Christina Neubig vom Lehrstuhl f&uuml;r Marketing und Konsumforschung an der Technischen Universit&auml;t M&uuml;nchen untersucht. W&uuml;rden sie Salat auch dann verzehren, wenn er l&auml;nger gelagert wird, daher weniger frisch ist und weniger attraktiv wirkt, wenn sie &uuml;ber Phyllobiline Bescheid wissen? Die Antwort ist: Ja.15) Die Verbraucher w&uuml;rde ihn also eher essen, statt ihn wegzuwerfen. Das Wissen &uuml;ber Phyllobiline zu verbreiten k&ouml;nnte demnach dazu beitragen, gealterte pflanzliche Produkte nicht nur als Abfall, sondern sogar als wertvoll anzusehen.
Die Information &uuml;ber Phyllobiline verbesserte au&szlig;erdem, wie die Konsumenten Gesundheit und Sicherheit von Lebensmitteln wahrnehmen, mit gro&szlig;em Potenzial, die Lebensmittelverschwendung zu Hause zu reduzieren. Unsere Resultate eignen sich somit als Grundlage f&uuml;r weitere Studien &uuml;ber das Vorkommen und den Wert von Phyllobilinen f&uuml;r die Lebensmittelindustrie.
<h2>Die Autorinnen</h2>
Diesen Beitrag verfassten Cornelia Karg (oben) und Simone Moser. Moser ist Habilitandin am Department Pharmazie der LMU M&uuml;nchen. Schon w&auml;hrend ihrer Doktorarbeit bei Bernhard Kr&auml;utler besch&auml;ftigte sie sich mit Phyllobilinen &ndash; zun&auml;chst mit deren Strukturen, inzwischen mit den Bioaktivit&auml;ten. Karg ist Postdoktorandin am Department Pharmazie der LMU M&uuml;nchen in Mosers Gruppe. Sie studierte Pharmazie an der LMU M&uuml;nchen und promovierte im Juli 2021 &uuml;ber Phyllobiline.
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<h2>AUF EINEN BLICK</h2>
Phyllobiline sind farblose und farbige Abbauprodukte von Chlorophyll. Welche Funktion sie f&uuml;r die Pflanze haben, ist unklar.
Auch in gelagertem Gem&uuml;se bilden sich Phyllobiline.
Sie wirken stark antioxidativ und hemmen im In-vitro-Versuch das Krebswachstum. Das macht sie zu interessanten Substanzen f&uuml;r die Pharmakologie.
<ul class="references">
<li>1 B. Kr&auml;utler, P. Matile, Acc. Chem. Res. 1999, 32, 35&ndash;43</li>
<li>2 K. Apel, H. Hirt, Annu. Rev. Plant Biol. 2004, 55, 373&ndash;399</li>
<li>3 B. Kr&auml;utler, B. Jaun, K. Bortlik, M. Schellenberg, P. Matile, Angew. Chem. Int. Ed. 1991, 30, 1315&ndash; 1318</li>
<li>4 S. Moser, M. Ulrich, T. M&uuml;ller, B. Kr&auml;utler, Photochem. Photobiol. Sci. 2008, 7, 1577&ndash;1581</li>
<li>5 B. Kr&auml;utler, S. H&ouml;rtensteiner, Handbook of Porphyrin Science, World Scientific, 2013</li>
<li>6 B. Kr&auml;utler, Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 4882&ndash;4907</li>
<li>7 C. Vergeiner, M. Ulrich, C. Li, X. Liu, T. M&uuml;ller, B. Kr&auml;utler, Chem. Eur. J. 2015, 21, 136&ndash;149</li>
<li>8 C. Li, B. Kr&auml;utler, Monatshefte f&uuml;r Chemie &ndash; Chemical Monthly 2019, 150, 813&ndash;820</li>
<li>9 T. M&uuml;ller, M. Ulrich, K. H. Ongania, B. Kr&auml;utler, Angew. Chem. Int. Ed. 2007, 46, 8699&ndash;8702</li>
<li>10 P. Wang, C. A. Karg, N. Frey, J. Fr&auml;drich, A. M. Vollmar, S. Moser, Arch. Pharm. 2021, 354, 2100061</li>
<li>11 C. A. Karg, S. Wang, N. Al Danaf, R. P. Pemberton, D. Bernard, M. Kretschmer, S. Schneider, T. Zisis, A. M. Vollmar, D. C. Lamb, S. Zahler, S. Moser, Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 22578&ndash;22584</li>
<li>12 S. Moser, T. Erhart, S. Neuhauser, B. Kr&auml;utler, J. Agric. Food. Chem. 2020, 68(27), 7132</li>
<li>13 J. Berghold, K. Breuker, M. Oberhuber, S. H&ouml;rtensteiner, B. Kr&auml;utler, Photosynth. Res. 2002, 74, 109&ndash;119</li>
<li>14 M. H. Roiser, T. M&uuml;ller, B. Kr&auml;utler, J. Agric. Food Chem. 2015, 63, 1385&ndash; 1392</li>
<li>15 C. A. Karg, C. M. Neubig, J. Roosen, S. Moser, npj Sci. Food 2021, 5, 19</li>
<li>16 Bundesministerium f&uuml;r Ern&auml;hrung und Landwirtschaft, Versorgungsbilanzen Obst, Gem&uuml;se, Zitrusfr&uuml;chte, Schalen und Trockenobst, Versorgung mit Gem&uuml;se nach Arten, 2019, <a href="https://t1p.de/n8mo" target="_blank" rel="noopener">t1p.de/n8mo</a></li>
</ul>

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Je bunter, desto bioaktiver

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Die nasschemischen &Auml;tzreaktionen von Galliumnitrid zu verstehen hilft, sie gezielt manipulieren zu k&ouml;nnen. Dies macht es einfacher und kosteng&uuml;nstiger, Leuchtdioden (LED) herzustellen.
Galliumnitrid ist das zentrale Material f&uuml;r blaue und wei&szlig;e Leuchtdioden (LED).1) Der &Auml;tzprozess von Galliumnitrid in hei&szlig;er KOH-L&ouml;sung ist wichtig, um LED effizienter zu machen: Durch diese anisotrope &Auml;tzung entsteht eine raue Oberfl&auml;che, die die Austrittswahrscheinlichkeit der durch Strom erzeugten Photonen steigert &ndash; und zwar bis auf das Vierfache verglichen mit der glatten Oberfl&auml;che.2) Effektiv wird die interne Totalreflexion minimiert.
In den letzten 30 Jahren gab es viele Untersuchungen zum &Auml;tzmechanismus von Galliumnitrid in hei&szlig;er KOH-L&ouml;sung sowie dazu, was &Auml;tzrate und -homogenit&auml;t beeinflusst.3) Die ermittelten Einfl&uuml;sse lassen sich in material- und prozessabh&auml;ngige gliedern. Zu den erstgenannten geh&ouml;ren die epitaktischen Wachstumsbedingungen, die Versetzungsdichte, Verunreinigungen oder der Dotiergrad des zu &auml;tzenden Galliumnitrids. Die prozessabh&auml;ngigen Parameter dagegen repr&auml;sentieren die Zusammensetzung des &Auml;tzmediums inklusive der KOH-Konzentration, die Temperatur und die &Auml;tzdauer.
<h2>L&ouml;chrige Lagen</h2>
Materialabh&auml;ngig beeinflussen am meisten die epitaktischen Wachstumsbedingungen die &Auml;tzrate von Galliumnitrid. Wir haben f&uuml;r unsere Arbeit Galliumnitrid aus metallorganischer Gasphasenabscheidung (metal organic chemical vapor deposition, MOCVD) genutzt. Dieses wird vor der &Auml;tzung durch Laser Lift Off (LLO) vom Saphirwachstumssubstrat getrennt, sodass die stickstoffpolare (0001) Kristallfacette offenliegt.
Ein moderner LED-Chip besteht nicht aus einer einzelnen Lage Galliumnitrid: Er enth&auml;lt eine Sequenz von oft mehr als hundert GaN,- InxGa1&ndash;xN- oder AlxGa1&ndash;xN-Schichten und weitere Materialien. Das hat zwei Gr&uuml;nde. Zum einen erh&ouml;ht der durch die Schichten m&ouml;gliche p/n-&Uuml;bergang einen Photonenfluss, und der Einbau eines Multi-Quantum-Wells erh&ouml;ht die Zahl der bei einem bestimmten Stromfluss erzeugten Photonen. Zum anderen sinkt die Versetzungsdichte, was mit einer h&ouml;heren Kristallqualit&auml;t gleichzusetzen ist.
Ein Beispiel f&uuml;r Strategien zur Versetzungsreduktion ist der Einbau einer monoatomaren Siliciumnitridschicht zwischen zwei Galliumnitridschichten. Die Siliciumnitridschicht ist dabei so d&uuml;nn, dass sie in manchen Bereichen l&ouml;chrig ist. W&auml;hrend des Wachstums von Galliumnitrid adsorbiert dies nur an den siliciumnitridfreien Stellen, wodurch Inseln entstehen. Das laterale Koaleszieren dieser Galliumnitridinseln f&uuml;hrt zu einem Abknicken und teilweise Terminieren der Versetzungen.
<h2>&Auml;tzkinetik</h2>
Um die tiefenabh&auml;ngige &Auml;tzkinetik komplexer Schichtstapel zu untersuchen, eignet sich die optische Emissionsspektroskopie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-OES).4) Damit lassen sich Proben aus der &Auml;tzl&ouml;sung analysieren, ohne den &Auml;tzprozess zu unterbrechen.
Die oberfl&auml;chenn&auml;chste Galliumnitridschicht des Referenzschichtstapels in <xref rid="nadc20224102342-fig-0001" ref-type="fig">Abbildung</xref> 1 wird als 2-D-GaN bezeichnet. Dies bezieht sich auf das Wachstum der geschlossenen zweidimensionalen Schicht in die vertikale z-Richtung. Die Versetzungsdichte der 2-D-GaN-Schicht betrug zirka 4 &times; 108 cm&ndash;2.
<figure><img src="https://media.graphcms.com/ddhWz8gTwOQmPUJSVAyd" />
<figcaption><label>Abb. 1: </label>Mit ICP-OES bestimmter durchschnittlicher &Auml;tzabtrag z (GaN) einer Referenzprobe aus 300 nm 2-D-GaN, einer monoatomaren und l&ouml;chrigen Siliciumnitridschicht, 1400 nm 3-D-GaN und weiteren Schichten. Es wurde in 30 Gewichtsprozent w&auml;ssriger KOH bei 70 &deg;C sowie bei 80 &deg;C ge&auml;tzt. Die Daten sind Mittelwerte &plusmn; Standardabweichung aus jeweils drei unabh&auml;ngigen Einzelexperimenten.</figcaption>
</figure>
Abbildung 1 zeigt den mit ICP-OES ermittelten durchschnittlichen &Auml;tzabtrag z (GaN) im Verlauf einer &Auml;tzung &uuml;ber f&uuml;nf Minuten in 30 Gewichtsprozent KOH bei 80 &deg;C. Die oberfl&auml;chenn&auml;chste 2-D-GaN-Schicht hat die maximale Steigung und damit die h&ouml;chste &Auml;tzrate. Am Siliciumnitridinterface bildet sich ein Plateau, nach dessen Durchdringen die &Auml;tzrate konstant wird. Dies korreliert mit der homogenen Materialzusammensetzung der 3-D-GaN-Schicht (Versetzungsdichte 1,3 &times; 108 cm&ndash;2).
Die Plateaubildung an der Siliciumnitridlage ist temperaturabh&auml;ngig. W&auml;hrend bei einer Temperatur der &Auml;tzl&ouml;sung von 80 &deg;C das Plateau nach 1,5 Minuten &uuml;berwunden war, blieb der Abtrag bei 70 &deg;C &uuml;ber einen Zeitraum von 4 Minuten am Plateau. Wird das gleiche Experiment bei Raumtemperatur durchgef&uuml;hrt, stoppt das Siliciumnitrid die &Auml;tzung.5) Neben den epitaktischen Wachstumsbedingungen beeinflussen Oberfl&auml;chensch&auml;digungen zu Beginn des &Auml;tzprozesses den Absolutwert und die Reproduzierbarkeit der &Auml;tzrate.
<h2>Wie der Prozess die Kinetik beeinflusst</h2>
Im Hinblick auf die prozessabh&auml;ngigen Parameter best&auml;tigt das betrachtete Materialsystem die in der Vergangenheit beobachteten Zusammenh&auml;nge.6) <xref rid="nadc20224102342-fig-0002" ref-type="fig">Abbildung</xref> 2 zeigt die mit ICP-OES bestimmten &Auml;tzraten einer homogenen, 3000 nm dicken 2-D-GaN-Schicht mit einer Versetzungsdichte von zirka 4 &times; 108 cm&ndash;2, wobei die KOH-Konzentration in der 60 &deg;C hei&szlig;en &Auml;tzl&ouml;sung zwischen 0 und 50 Gewichtsprozent variierte. Vor der &Auml;tzung wurden alle Oberfl&auml;chensch&auml;den durch sanftes mechanisches Polieren mit einem Stoffpolierpad und einer alkalischen Suspension mit SiO2-Partikeln entfernt. Die maximale &Auml;tzrate ergab sich bei einer KOH-Konzentration von 23 Gewichtsprozent.
<figure><img src="https://media.graphcms.com/Rq81bn9TnKeasubOLlwJ" />
<figcaption><label>Abb. 2: </label>Mit ICP-OES bestimmte &Auml;tzraten ER (GaN) einer Referenzprobe aus 3000 nm 2-D-GaN. Es wurde in w&auml;ssriger KOH-L&ouml;sung unterschiedlicher Konzentration bei 60 &deg;C ge&auml;tzt. Daten als Mittelwerte &plusmn; Standardabweichung aus jeweils mindestens drei unabh&auml;ngigen Einzelexperimenten, maximale &Auml;tzrate (318 &plusmn; 15 nm &middot; min&ndash;1) bei 23 Gewichtsprozent KOH.</figcaption>
</figure>
Ist die Galliumnitridschicht homogen, verl&auml;uft die &Auml;tzung linear (Abbildung 1, S. 69). Eine S&auml;ttigung der &Auml;tzung trat nicht ein.
Die Temperatur dagegen beeinflusst die &Auml;tzrate exponentiell, was mit Angaben in der Literatur &uuml;bereinstimmt (<xref rid="nadc20224102342-fig-0003" ref-type="fig">Abbildung</xref> 3).6&ndash;9) Auf Basis des Arrhenius-Plots wurde eine Aktivierungsenergie des vorliegenden Materialsystems von 0,67 &plusmn; 0,04 eV bestimmt. Dies beweist, dass die nasschemische &Auml;tzreaktion von Galliumnitrid kinetisch gehemmt ist. Die &Auml;tzrate blieb unabh&auml;ngig vom Umw&auml;lzen der L&ouml;sung gleich.
<figure><img src="https://media.graphcms.com/dGgdSBvSR4uYp8PFyMzs" />
<figcaption><label>Abb. 3: </label>Mit ICP-OES bestimmte &Auml;tzraten ER (GaN) einer Referenzprobe aus 3000 nm 2-D-GaN. Es wurde in 30 Gewichtsprozent w&auml;ssriger KOH bei Temperaturen zwischen 22 &deg;C und 80 &deg;C ge&auml;tzt. Daten als Mittelwerte &plusmn; Standardabweichung aus jeweils drei unabh&auml;ngigen Einzelexperimenten. Maximale &Auml;tzrate von 868 &plusmn; 35 nm &middot; min&ndash;1 bei 80 &deg;C.</figcaption>
</figure>
<h2>Auf mikroskopischer Ebene</h2>
Zur genauen Bestimmung der molekularen &Auml;tzreaktion haben wir die Reaktionsprodukte charakterisiert. Vorherige Berichte unterscheiden Mechanismen je nach Entstehung molekularen Stickstoffs oder Ammoniaks.9&ndash;13) Zwei unabh&auml;ngige experimentelle Ans&auml;tze, n&auml;mlich die Berthelot-Reaktion und die pH-Wert-Messung in der Atmosph&auml;re oberhalb der KOH-L&ouml;sung, wiesen unter unseren Bedingungen Ammoniak nach. Somit ergibt sich:14)
GaN + 3 H2O + OH&ndash; &rarr;
Ga(OH)4&ndash; + NH3
4 Ga(OH)3 + 6 H2O &rarr;
[Ga(H2O)6]3+ + 3 [Ga(OH)4]&ndash;
Dieser Mechanismus erkl&auml;rt die gefundene maximale &Auml;tzrate bei ungef&auml;hr halbkonzentrierter KOH-L&ouml;sung. W&auml;hrend bei zu geringen KOH-Konzentrationen Ga(OH)3 nicht gen&uuml;gend l&ouml;slich ist, ist bei hohen KOH-Konzentration nicht gen&uuml;gend Wasser verf&uuml;gbar. Zudem hemmen extrem hohe Hydroxidkonzentrationen die Ammoniakentstehung.
Neben der Charakterisierung der &Auml;tzreaktion sowie ihrer Einfl&uuml;sse wurde eine Methode gefunden, um die lokale Entstehung von &Auml;tzstrukturen zu manipulieren: Elektroneneinstrahlung mit Energien im Bereich weniger keV mindert die &Auml;tzrate in KOH-L&ouml;sung.15) Dies erlaubt, Punktgitter, Linien, Kreise und individuelle Formen auf der Galliumnitridoberfl&auml;che zu erzeugen (<xref rid="nadc20224102342-fig-0004" ref-type="fig">Abbildung</xref> 4). Eine photolithographische &Auml;tzmaske ist nicht n&ouml;tig. Diese Technik er&ouml;ffnet neue Anwendungsgebiete, zu denen die Applikation einer Fresnel-Linse direkt auf der LED-Oberfl&auml;che geh&ouml;rt &ndash; dadurch lassen sich konzentrische Kreise ohne lithographischen Schritt auf der Halbleiteroberfl&auml;che erzeugen.
<figure><img src="https://media.graphcms.com/ImCisWRUKdQ4n9H9FZrQ" />
<figcaption><label>Abb. 4: </label>Rasterelektronenmikroskopbilder von GaN-Oberfl&auml;chenregionen nach Elektronenbestrahlung (8 kV Beschleunigungsspannung, 20 nm Strahldurchmesser) und &Auml;tzen in 30 Gewichtsprozent w&auml;ssriger KOH-L&ouml;sung bei 60 &deg;C f&uuml;r sechs Minuten. In den punkt-, linien- und kreisf&ouml;rmig sowie als Smileymuster bestrahlten Regionen verlangsamt sich die &Auml;tzrate, wodurch sich die Oberfl&auml;chentopographie kontrollieren l&auml;sst.</figcaption>
</figure>
<h2>Vorteile und Vorhaben</h2>
Die nasschemische &Auml;tzung birgt verglichen mit der konkurrierenden trockenchemischen &Auml;tzung mit Plasma Vorteile, darunter geringere Kosten und Komplexit&auml;t sowie eine atomar saubere Kristalloberfl&auml;che. Die hier beschriebene Arbeit erm&ouml;glicht weitere Schritte in der LED-Prozessierung, um den Prozess zuverl&auml;ssiger und besser zu gestalten. K&uuml;nftige Experimente sollen die bislang wenig erforschten elektronischen Einfl&uuml;sse auf lokaler Ebene im Kristall untersuchen.
<h2>Die Autoren</h2>
Diesen Beitrag verfassten Markus Tautz und David D&iacute;az D&iacute;az. Tautz, Jahrgang 1993, fertigte seine Promotion von Januar 2017 bis Dezember 2019 unter Leitung von David D&iacute;az D&iacute;az an der Universit&auml;t Regensburg in Kooperation mit der Firma ams Osram, wo alle Experimente durchgef&uuml;hrt wurden. Seit dem Jahr 2020 arbeitet er dort als Development Engineer. D&iacute;az D&iacute;az, Jahrgang 1974, ist Privatdozent an der Universit&auml;t Regensburg sowie Distinguished Researcher bei Beatriz Galindo am Department f&uuml;r Organische Chemie der Universit&auml;t La Laguna in Spanien. Er entwickelt funktionelle Materialien.
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<h2>AUF EINEN BLICK</h2>
Die Wachstumsbedingungen haben den wichtigsten materialabh&auml;ngigen Einfluss auf die nasschemische &Auml;tzung von N-polarem Galliumnitrid.
Bei 23 Gewichtsprozent KOH-Konzentration ist die &Auml;tzrate in 60 &deg;C hei&szlig;er L&ouml;sung maximal. Dies passt zu dem gefundenen Reaktionsmechanismus als Kombination aus Substitution und Aufl&ouml;sen.
Mit Elektronenbestrahlung der Galliumnitridoberfl&auml;che vor der &Auml;tzung l&auml;sst sich die lokale Entstehung von &Auml;tzstrukturen manipulieren, da so die &Auml;tzrate sinkt.
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</ul>

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