Abgeschlossene Forschungsprojekte

TOPELEC - Topologie leitfähiger ferroelektrischer Domänenwände (DFG)

Projektleitung: Prof. Lukas M. Eng
Arbeitsgruppe: FERROIX
Förderung: DFG
Laufzeit: 2018-2021
Domänenwände (DWs) in Ferroelektrika (FEs) erfreuen sich in den letzten Jahren einer sehr hohen Beachtung, was ursächlich den besonderen Eigenschaften dieser DWs geschuldet ist. Obwohl die DW strukturell nur einige wenige Nanometer breit ist und sogar atomare Dimensionen erreichen kann, zeigen diese Dirac-artigen Deltafunktionen ein sehr reiches "Eigenleben", so z.B. eine gegenüber dem Bulk des Materials verschiedene Dielektrizitätskonstante, einen eigenen Brechungsindex oder gar magnetische Eigenschaften. Unlängst stehen die elektronischen Eigenschaften einer solchen DW im Fokus der Forscher; so ist es (uns) in LiNbO3 (LNO) Einkristallen gelungen, elektrische Ströme von über 10 µA durch eine einzige solche Domänenwand zu leiten. Die Leitfähigkeit in diesen 2-dimensionalen Flächen lässt sich elegant durch Variation des Neigungswinkels der DW gegenüber dem Ordnungsparameter der dielektrischen Polarisation steuern. Als Folge weicht die Struktur und Polarisation der DW dramatisch vom herkömmlichen Bild einer sogenannten Ising-Wand mit stets parallelen Polarisationsvektoren ab; in der Tat können sich in einer solchen Wand lokal sogenannte Néel- oder Bloch-artige Topologien ausbilden und sogar zu lokaler Chiralität der DW führen (Blochlinien). Der Impakt auf die Leitfähigkeit oder die optischen und dielektrischen Eigenschaften der DW einerseits, aber andererseits auch die durch die Leitfähigkeit selbst in der Wand induzierten Veränderungen der Topologien sind noch völlig unklar. Es gilt daher, Materialsysteme wie die hier untersuchte Familie des LNOs systematisch auf die gezielte Manipulation mit solchen Bloch- und Néel-Zuständen hin zu manipulieren und diese repro¬duzierbar herzustellen, sowie solche Effekte lokal unter Einfluss der genannten Veränderlichen zu quantifizieren. Das hier Antrag stellende Konsortium aus Wissenschaftler:innen in Dresden/Deutschland und Strasbourg/Frankreich hat sich in der Vergangenheit mit der Bereitstellung und Untersuchung von lokaler Domänenwandleitfähigkeit auf der Nanometer Längenskala sowie der Quantifizierung von Topologien mittels optisch nichtlinearer Polarimetrie und 3-dimensionalen, bildgebenden Verfahren weltweit sehr bekannt gemacht. Das Zusammenführen dieser beiden Forschungsfelder ist im Hinblick auf ein fundiertes Verständnis über die Ursachen und das Zusammenspiel solcher non-Ising DWs in Ferroelektrika unbedingt notwendig, insbesondere auch vor dem Hintergrund, solche robuste und rekonfigurierbare Bauelemente, wie es DW in LNO darstellen, in künftigen nanoelektronischen und optoelektronischen Devices einzusetzen zu können.

Multiferroische Skyrmion-Materialien (DFG)

Projektleitung: Prof. Lukas Eng, Dr. Susanne Kehr, Dr. Peter Milde
Arbeitsgruppe: SKY
Förderung: DFG
Laufzeit: 2017-2020
GaV4S8 (GVS) stellt den ersten Vertreter einer neuen Klasse von multiferroischen Materialien mit herausragenden magneto-elektrischen Eigenschaften dar. So wurde kürzlich in GVS die Koexistenz eines Skyrmionen-Gitters (SkL) unter Anwesenheit von Ferroelektrizität nachgewiesen, was den Traum z.B. zur Realisierung von SkL-Speichermedien schaltbar durch elektrische Felder ungemein anheizt. Es fehlt aktuell allerdings an einem grundlegenden theoretischen und experimentellen Verständnis der Physik von Phasenübergängen, der Ordnung und Kopplung von Spins, etc. in GVS und den verwandten Verbindungen dieser lakunaren Spinels. Dieses gemeinsame Projekt zwischen Theoretikern aus Prag/Tschechien und Experimentalisten aus Dresden/Deutschland will sich daher fundamental um die statischen und dynamischen Eigenschaften von GVS und Verbindungen aus der gleichen Familie wie GeV4S8, GaMo4S8, GaV4Se8 kümmern. Hierzu kombinieren wir eine lokale Inspektion mittels verschiedener Rastersondenmethoden (SPM) zur Detektion von elektrischen Feldern, piezoelektrischer und magnetischer Ordnung sowie der optischen Eigenschaften, mit einer Skalen übergreifenden Modellierung, d.h. ab-initio Berechnungen, phase-field modeling, u.a.m.. Damit soll der Mechanismus einer magneto-elektrischen Kopplung ergründet und unter Applikation von externen Feldern mechanischer, elektromagnetischer oder optischer Art gezielt manipuliert werden. Wir erhoffen uns dadurch die Phasendiagramme der einzelnen Stoffe gezielt beeinflussen zu können, und so auch die Dynamik der Systeme fundamental anzugehen.

TiNa - Time-resolved Nanoscopy in the deep THz regime (BMBF)

Projektleitung: Prof. Lukas M. Eng
Arbeitsgruppe: SNOM
Förderung: BMBF
Laufzeit: 07/2016-12/2019
Ziel dieses Projektes ist der Aufbau und die Implementierung eines optischen Nahfeldmikroskops für den THz Frequenzbereich (kurz T-SNOM) zwischen 10 THz und 100 GHz. Dieses T-SNOM wird es erstmalig ermöglichen, transiente dynamische Prozesse mit einer Zeitauflösung im sub-30-Femtosekundenbereich und mit einer Ortsauflösung von wenigen 10 Nanometern untergrundfrei zu erfassen.

NanOMap - Nanoskopische Optische Materialanalyse an FELBE (BMBF)

Projektleitung: Dr. Susanne C. Kehr
Arbeitsgruppe: SNOM
Förderung: BMBF
Laufzeit: 07/2016-06/2019
Nahfeldmikroskopie (SNOM) ermöglicht die spektroskopische und oberflächenabbildende Untersuchung von Festkörpern mit einer Wellenlängen-unabhängigen Auflösung von 30 nm. Speziell im IR- bis THz-Bereich wird es dabei möglich, nanoskopische Strukturen auf einer Skala weit unterhalb der Wellenlänge zu untersuchen, welche uns aufgrund der Wellennatur des Lichts sonst verborgen bleiben. Die hierbei eingesetzten weltweit einmaligen Nahfeldmikroskope an FELBE ermöglichen die optischen Untersuchungen mit einer lateralen Auflösung von 30 nm im Wellenlängenbereich von 4 bis 250 μm und bei Temperaturen von 4 bis 300 K.

Untersuchung der Domänenwandleitfähigkeit in uniaxialen Ferroelektrika (VolkswagenStiftung)

Projektleitung: Prof. Lukas M. Eng
Arbeitsgruppe: FERROIX
Förderung: VolkswagenStiftung
Laufzeit: 03/2016-02/2019 (verlängert bis 01/2021)

Ferroelektrische und nichtkollineare magnetische Phasen in Defektspinellen (DFG)

Projektleitung: Dr. Peter Milde
Arbeitsgruppe: SKY
Förderung: DFG
Laufzeit: 04/2016-03/2019
In diesem Projekt untersuchen wir nichtkollineare magnetische Modulationen und die magneto-elektrischen Kopplungsphänomene im Defektspinell GaV4S8 und in verwandten Verbindungen mit Hilfe verschiedener Rastersondenmethoden.

STuFe - Durchstimmbarkeit von Superlinsen durch Ferroelektrika (DFG)

Projektleitung: Dr. Susanne C. Kehr
Arbeitsgruppe: SNOM
Förderung: DFG
Laufzeit: 11/2015-10/2018
Metamaterial-basierte Superlinsen kombinieren raffinierte physikalische Konzepte wie negative Lichtbrechung mit modernsten materialwissenschaftlichen Methoden. In diesem Projekt werden Superlinsen, bestehend aus mehrlagigen, ferroelektrischen Materialien hergestellt, experimentell untersucht und optimiert, um eine verlustarme, spektral durchstimmbare Super-Auflösung von < λ/50 zu erreichen. Insbesondere mit der Verwendung von nah- bis fern-infraroten Wellenlängen zielen wir hierbei auf Anwendungen im Fingerprint-Wellenlängenbereich von biologischen und organischen Einzelmolekülen ab, sowie auf die Untersuchung und Erforschung von neuartigen Materialien wie z.B. 2-dimensional-leitenden Materialien im THz-Bereich.

Plasmosens - Herstellung und Charakterisierung von Nanorod-Arrays als sensorisches Substrat (BMBF)

Als Teilvorhaben des Verbundprojektes: Kompakter plasmonischer Sensor für die Vor-Ort-Analytik von Schadstoffen im Wasser und in Lebensmitteln.
Projektleitung: Prof. Lukas M. Eng
Arbeitsgruppe: AXIO
Förderung: BMBF
Laufzeit: 10/2015-09/2018

Aufbau nanoelektronischer Bauelemente auf Lithiumniobat-Templaten mittels Ferroelektrischer Lithografie (DFG)

Projektleitung: Dr. Alexander Haußmann
Arbeitsgruppe: FERROIX
Förderung: DFG
Laufzeit: 2014-2017
Eine zentrale Herausforderung an die Nanotechnologie ist derzeit die reproduzierbare, parallelisierbare und kostengünstige Herstellung funktionaler Nanostrukturen nach dem bottom-up-Prinzip. Hierzu eignen sich ferroelektrische Materialien als Substrate, auf deren Oberflächen Nanostrukturen nach dem Prinzip der "Ferroelektrischen Lithografie" (FE-Litho) kontrolliert aufgebaut werden können. Lithiumniobat (LiNbO3, LNO) eignet sich dabei besonders als FE-Substrat, da photochemische Reaktionen beliebiger Spezies aus der flüssigen Phase ausschließlich zu Abscheidungen auf die ferroelektrischen Domänenwände führen. Ziel dieses Projektes ist daher die Ausnutzung dieser FE-Litho-Technik zum Aufbau funktionaler Nanobauelemente wie z.B. Feldeffekttransistoren, biologischer Diagnoseeinheiten und koaxialer Nanokabel aus Bausteinen wie Kohlenstoffnanoröhren (CNT), DNA-Molekülen und Edelmetallnanodrähten, sowie die tiefgehende Untersuchung der physikalischen und chemischen Triebkräfte dieses DW-Dekorationseffektes auf LNO.

nanoSPECS - Ultra-kompaktes nano-Spektrometer auf der Basis von Nanoantennen (BMBF)

Projektleitung: Prof. Lukas M. Eng
Arbeitsgruppe: AXIO
Förderung: BMBF
Laufzeit: 08/2013-12/2016

Nanoskalige Untersuchung von Kopplungsphänomenen in Bismuthferrit unter kontinuierlich variabler mechanischer Verspannung (DFG)

Projektleitung: Prof. Lukas M. Eng
Arbeitsgruppe: FERROIX
Förderung: DFG
Laufzeit: 2013-2016
Bismutferrit (BFO) – eines der wenigen einphasigen Raumtemperatur-Multiferroika – stellt derzeit ein hochaktuelles Gebiet der Festkörperforschung dar. Es sind vor allem die subtilen Reaktionen diese Materials auf äußere Felder, deren genaue physikalische Ursachen bisher nicht vollständig geklärt sind, die zur Zeit ein enormes wissenschaftliches Interesse auf sich ziehen. Im Projekt wird die Manipulierbarkeit und Durchstimmbarkeit der elektronischen, ferroelektrischen und magnetischen Konfiguration in BFO-Dünnfilmen unter Anwendung von kontinuierlich variierbarer äußerer mechanischer Verspannung systematisch studiert.

Effiziente Oberfläschenplasmonen-Generation in resonanten Strukturen durch inelastisches Elektronentunneln (DFG)

Projektleitung: Prof. Lukas M. Eng und Prof. B. Hecht (Universität Würzburg)
Arbeitsgruppe: AXIO
Förderung: DFG
Laufzeit: 2013-09/2016

Optische Phasenkontrolle in ultradünnen Manganatschichten (DFG)

Projektleitung: Dr. Elke Beyreuther
Arbeitsgruppe: FERROIX
Förderung: DFG
Laufzeit: 05/2011-08/2017
Dotierte Manganoxide besitzen stark korrelierte Elektronensysteme und zeichnen sich durch eine signifikante Wechselwirkung von Spin-, Ladungs-, Orbital- und Gitterfreiheitsgraden aus, was zu einer Vielfalt elektronischer/magnetischer Phasen führt. Die systematische Untersuchung lichtinduzierter Prozesse in Manganoxiden ist eine vergleichsweise junge Forschungsrichtung mit hohem Erkenntnispotenzial. Ausgehend von der Entdeckung photoinduzierter Isolator-Metall-Übergänge sowie Widerstandsänderungen über viele Größenordnungen unter Beleuchtung in ultradünnen isolierenden Manganatfilmen sollen diese Phänomene in Abhängigkeit von den grundlegenden elektronischen Parametern der Bandbreite und der Dotierung studiert werden, um zu einem umfassenderen Verständnis der mikroskopischen Prozesse beizutragen.