Forschungsprojekte

Maßgeschneiderte Domänenstrukturen in ferroelektrischen Heterostrukturen (DFG - FOR 5044, 2. Phase)

Teilprojekt TP05 der DFG-Forschungsgruppe FOR 5044 - Periodische niedrigdimensionale Defektstrukturen in polaren Oxiden
Projektleitung: Prof. Dr. Lukas Eng, Prof. Dr. Christine Silberhorn (Universität Paderborn)
Arbeitsgruppen: FERROIX
Förderung: DFG
Laufzeit: 10/2024-09/2028
Dieses Teilprojekt der Forschungsgruppe „Periodische niedrigdimensionale Defektstrukturen in polaren Oxiden“, welche sich der Korrelation von Defektstruktur, Elektronen- und Ionentransport sowie elektromechanischen Eigenschaften in ferroelektrischen Mischkristallen anhand des Modellsystems Lithiumniobat-Lithiumtantalat widmet, beschäftigt sich mit der Untersuchung und Herstellung von optischen Wellenleiterstrukturen und von neuartigen ferroelektrischen Heterostrukturen mittels Festköperbondings, sowie dem Maßschneidern von Domänenstrukturen in solchen Systemen. Heterostrukturen und deren Grenzflächen, wie z.B. in (epitaktische) Schichtstrukturen, spielen in der Halbleitertechnologie eine zentrale Rolle, um spezielle Eigenschaften, wie 2D Elektronengase, PN-Übergänge oder opto-elektronische Eigenschaften maßzuschneidern. In ferroelektrischen Materialien, wie sie häufig in der Optik oder Piezotechnologie verwendet werden, spielen solche Heterosysteme bisher jedoch keine Rolle. Hier liegt der Fokus in der Herstellung besonders homogener oder defektfreier Kristalle, während das Maßschneidern der Eigenschaften über physiklaische Strukturierung oder die Kontrolle der Domänenstrukturen erfolgt. Im Gegensatz dazu plant dieses Projekt die Herstellung von ferroelektrischen Heterostrukturen mittels Festkörperbondings. Heterostrukturen, bspw. beliebige Stapel aus Lithiumniobat und Lithiumtantalat (auch verschiedener Schnitte), würden hier einerseits das Maßschneidern makroskopischer Eigenschaften im Sinne eines effektiven Mediums ermöglichen, welches insbesondere großes Anwendungspotential für die integrierte (Quanten-)optik bietet. Andererseits erlauben Heterostrukturen aus einkristallinen Ferroelektrika, wie Lithiumniobat-Tantalat, das Maßschneidern von Grenzflächen und deren elektronischer Eigenschaften, wie sie bisher nicht realisierbar sind. Lithiumniobat und Lithiumtantalat zeichnen sich beispielsweise durch eine unterschiedliche spontane Polarisation aus. Eine Grenzfläche entlang der Polarisationsrichtung würde daher selbst bei gleicher Domänenausrichtung zu Ausbildung einer Raumladungszone basierend auf der Differenz der Screening-Ladungsträger führen. In Kombination mit Domänenstrukturen, sowie unter Berücksichtigung der Materialeigenschaften, wie elektronischen Bandlücken, Defektniveaus oder Polaronen, eröffnet sich das Potential bisher nicht realisierbare Bauteile, wie PN-Übergänge durch die Verbindung von leitfähigen Domänenwände in unterschiedlichen Wirtssystemen, ermöglichen. Die Präparation solcher Grenzflächen und Heterosysteme in Ferroelektrika hat daher ein großes Potential für die Elektronik, Optik oder Piezotronik.

Domänenwände in LNT-Mischkristallen (DFG - FOR 5044, 2. Phase)

Teilprojekt TP06 der DFG-Forschungsgruppe FOR 5044 - Periodische niedrigdimensionale Defektstrukturen in polaren Oxiden
Projektleitung: Prof. Dr. Lukas M. Eng
Arbeitsgruppen: FERROIX
Förderung: DFG
Laufzeit: 10/2024-09/2028
Das vorliegende Projekt TP06 ist Teil der FOR5044, die sich der Erforschung des Modellsystems Lithiumniobat-Lithiumtantalat (LiNb1-xTaxO3, LNT) für Konzentrationen x = 0 - 100% widmet. TP06 fokussiert sich dabei einerseits (a) auf die nanoskalige Analyse dieser LNT-Mischsysteme, andererseits (b) auf die Darstellung und Charakterisierung von natürlich in LNT auftretenden bzw. induzierten/gepolten Domänenwänden (DWs). Letztlich (c) erarbeiten wir in TP6 auch spezielle Anwendungskonzepte, bei denen die Domänenwandleitfähigkeit (DWC) in LNT im Zentrum steht. – Unsere Untersuchungen in der FOR5044 haben gezeigt, dass LNT nicht einfach als lineare Mischung der Randsysteme LiNbO3 und LiTaO3 zu sehen ist, sondern eine körnige Morphologie mit z.T. heterogener Stöchiometrie aufweist. Das Induzieren von Domänen und DWs ist daher stark von der lokalen elektrischen Feldverteilung geprägt, gegeben durch Korngrenzen, Dotierung, der Spontanpolarisation in den einzelnen Körnern, (Kompensations-)Ladungen, u.a.m..Alle diese Größen sollen in (a) auf der 10-nm-Längenskala vermittels dezidierter Rastersondenmethoden (optisch, phononisch, elektronisch, etc.) quantifiziert werden, um damit die makroskopisch/integral detektierten Befunde erklären zu können. – Damit ist die Grundlage geschaffen, DWs in (b) induzieren zu können, und diese speziell für die Untersuchung des Elektronentransports vermittels des Hall-Effektes bereit zu stellen. Um quantitativ Zugang zu Größen wie Schottkybarrieren und Aktivierungsenergien für die DWC zu erlangen, wird der Hall-Effekt auf drei Arten von außen stimuliert: (i) Photo-induziert, via Generation von Elektronen-Loch-Paaren in einzelnen DWs; (ii) durch mechanische Verspannung (tensil, kompressiv) der LNT-Kristalle und deren DWs vermittels einer Piezo-Presszelle; und (iii) mit variablen Temperaturen zwischen Raumtemperatur und 4K. – Die fundierte Analyse aus (a) und (b) erlaubt uns (c), „gut-leitende“ und „gut-präparierbare“ DWs für drei Anwendungskonzepte speziell in LNT bereit zu stellen: eine DW-pn-Diode, einen DW-Transistor, sowie eine DW-basierte photovoltaische Zelle. Hierzu werden DWs in dreierlei Form präpariert: (i) DWs in Bulk-LNT, für die eine „Durchpolung“ erfolgreich ist/war; (ii) DWs, die mittels Fingerelektroden über relativ kurze Distanzen (~10 µm) in LNT-Mischkristallen und -Dünnfilmen eingeschrieben werden können; sowie (iii) DWs in gebondeten LNT-Systemen; letztere Technik, das direkte Wafer-Bonding, stellt einen komplett neuen Ansatz zur Herstellung von geladenen DWs bzw. Grenzflächen dar. In allen drei Ansätzen spielen der Ta-Anteil und die Li-Stöchiometrie im Kristall eine entscheidende Rolle für deren (Halbleiter-)Eigenschaften, ebenso wie die hier in der FOR5044 gezielt induzierten Volumen- bzw. Grenzflächendotierungen (mit Mg, Hf, Zn). Wir erwarten damit eine große Durchstimmbarkeit der so hergestellten Probensysteme und steuerbare DWC-Charakteristika für die drei genannten DW-Bauelementkonzepte.

Lokale Optoelektronik von 2D Materialien (DFG - SFB 1415, 2. Phase)

Teilprojekt B06 zu SFB 1415 - Chemie der synthetischen zweidimensionalen Materialien
Projektleitung: Prof. Lukas M. Eng
Arbeitsgruppe: SNOM
Förderung: DFG
Laufzeit: 07/2024-06/2028
Das Projekt zielt darauf ab, die beiden relevanten Parameter bei der Untersuchung der Optoelektronik für niedrigdimensionale 2DMs zu quantifizieren. Die anisotropen Tensoren sowohl der elektronischen Leitfähigkeit δ(ω) als auch der dielektrischen Permittivität ε(ω) (auch bekannt als "optische" Leitfähigkeit) auf der Nanometer-Längenskala stehen im Mittelpunkt der Untersuchungen.

TiNaII - Zeitaufgelöste Nanoskopie im tiefen THz-Regime - Teil II: Entwicklung ultraschneller Pump-Probe-Nahfeldmethoden für THz-getriebene Prozesse (BMBF)

Projektleitung: Prof. Lukas M. Eng
Arbeitsgruppe: SNOM
Förderung: BMBF
Laufzeit: 07/2019-06/2022
Ziel dieses Projektes ist der Aufbau und die Implementierung optischer Nahfeldmikroskie für den THz Frequenzbereich (kurz T-SNOM) zwischen 10 THz und 100 GHz. Dieses T-SNOM wird es ermöglichen, transiente dynamische Prozesse mit einer Zeitauflösung im sub-30-Femtosekundenbereich und mit einer Ortsauflösung von wenigen 10 Nanometern untergrundfrei zu erfassen.

NanOMapII - Nanoskopische Optische Materialanalyse an FELBE - Phase II: Implementierung eines neuen, nutzerfreundlichen Nahfeldmikroskops (BMBF)

Projektleitung: Dr. Susanne C. Kehr
Arbeitsgruppe: SNOM
Förderung: BMBF
Laufzeit: 07/2019-06/2022
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 am Freie-Elektronen-Laser 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.

Rastersondenmikroskopie: Magnetische Strukturen und topologische Zustände (DFG - SFB 1143)

Teilprojekt C05 zu SFB 1143: Korrelierter Magnetismus: Von Frustration zu Topologie
Projektleitung: Prof. Lukas M. Eng
Arbeitsgruppe: SKY
Förderung: DFG
Laufzeit: 01/2015-12/2022
Dieses Projekt fokussiert sich auf die Aufklärung elektronischer und magnetischer Strukturen im atomaren Maßstab mit Hilfe von Rastersondenmikroskopie-Techniken. Lokale elektronische Zustandsdichten und Quasiteilchen-Interferenzen werden mit Rastertunnelmikroskopie und -spektroskopie (STM/STS) analysiert, während magnetische Texturen und magnetoelektrische Effekte mittels Magnetkraftmikroskopie (MFM) und Kelvin-Kraftmikroskopie untersucht werden. Für die quantitative Analyse magnetischer Texturen werden neuartige MFM-Methoden bei tiefen Temperaturen eingesetzt. Materialien von besonderem Interesse sind Kandidaten für die Realisierung von Quantenspinflüssigkeiten, Skyrmionensysteme und Weyl-Semimetalle.

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Abgeschlossene Forschungsprojekte