Physik nanoskaliger Festkörper

gefördert durch die Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des SFB 1375 NOA

Unsere Arbeiten zu Halbleiternanodrähten konzentrieren sich auf die Synthese mittels des VLS-Wachstumsmechanismus, die Dotierung und Funktionalisierung mittels Ionenstrahlen sowie den Lasing-Eigenschaften von einzelnen Nanodrähten. Weiterhin untersuchen wir die Funktionalität, Hybridisierung und Integration von Halbleiternano­drähten in komplexen Umgebungen.

Als Beispiel sei an dieser Stelle unsere Forschungen im Rahmen des Sonderforschungsbereiches 1375 "NOA - Nonlinear optics down to atomic scales" genannt, wo wir die Kopplung von Halbleiternanodrähten mit strukturierten plasmonischen Oberflächen, die durch ein sehr dünnes (<10 nm) Dielektrikum getrennt sind, untersuchen. Die enorme Verstärkung und die hervorragenden optoelektronischen Eigenschaften der Nanodrähte zusammen mit dem starken Feldeinschluss der plasmonischen Nanostrukturen bieten eine hohe Integrationsdichte, eine Beschleunigung nichtlinearer Prozesse und schließlich auch eine Kompatibilität mit elektronischen Integrationsprozessen.

gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Metaoberflächen sind künstlich strukturierte und optisch dünne Schichten, die präzise kon­struiert werden können, um die Amplitude, Polarisation oder Phase von Lichtstrahlen zu manipulieren. Metaoberflächen ermöglichen somit flache Optiken und werden die Photonik revolutionieren, da konventionelle Lithographie und Abscheidungsverfahren zur Herstellung von komplexen optischen Bauelementen eingesetzt werden können.

Die Herstellung von Metaoberflächen mit Ionenstrahltechniken birgt ein enormes Potenzial für die Schaffung großflächiger, dynamisch gesteuerter optischer Meta-Bauelemente und ist ein entscheidender Schritt hin zu einer inhärent planaren Optik. In unserem Projekt werden neuartige Metaoberflächen für einen breiten und abstimmbaren Spektralbereich durch selektive Modifizierung der Brechungsindizes dünner dielektrischer Filme durch eine Ionenstrahlbestrahlung durch Masken hergestellt. Die relevanten dielektrischen Materialsysteme, die zur Erzeugung der Metaoberflächen verwendet werden - Phasenwechselmaterialien, transparente leitende Oxide, Silizium - bieten geringe optische Verluste und dynamische Kontrolle ihrer optischen Eigenschaften durch einen externen Stimulus (Temperatur, Licht, Spannung). Da durch Ionenbestrahlung inhärent flache Metasoberflächen ermöglicht werden, können auch dreidimensionale hierarchische optische Systeme Schicht für Schicht aufgebaut werden: eine Langzeitvision in der Optik.

gefördert durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Verbundforschung "Kondensierte Materie"

Am ESRF in Grenoble steht seit einigen Jahren ein hochbrillanter Synchrotronstrahl mit einem Durchmesser von etwa 30 - 50 nm an der "Beam-line" ID16B zur Verfügung, der die Untersuchung einzelner Nanoobjekte ermöglicht. Wir nutzen diesen fokusierten Röntgenstrahl um einerseits die charakteristische Röntgen-Fluoreszenz (XRF) zu detektieren, aber auch um gleichzeitig Röntgenabsorptions-Spektroskopie der Feinstruktur (XANES, EXAFS) oder Röntgen-induzierten Strommessung (XBIC) durchzuführen.

Dieser direkte und korrelierte Zugang zu Struktur, Eigenschaften und Funktionalität auf einer Nanometer-Skala nutzen wir um unterschiedliche Modelsysteme zu untersuchen. Aktive Bauelemente aus funktionalisierten Halbleiternanodrähte bzw. Dünnschichtsolarzellen werden durch den nano-Synchrotronstrahl lokal angeregt. Dabei kann die Raumladungszone sowie die relative Effizienz in-operando durch XBIC bestimmt werden, und gleichzeitig die Stöchiometrie (XRF), Dotierung (XRF, XAS), Luminiszenz (XEOL) oder Struktur (XRD, XAS) örtlich untersucht werden. Die gewonnenen Korrelationen sind entscheidend für die Kenntnis der Funktionalität von aktiven Bauelementen auf der Nanometer-Skala, und bieten daher einen leichten Zugang zur Erhöhung der entsprechenden Effizienzen.

In unserem neuesten BMBF-Projekt erweitern wir die Beam-line ID16B am ESRF in Grenoble um eine streakCamera, so dass wir in der Zukunft auch in der Lage sind zeitaufgelöste XEOL Spektroskopie durchzuführen.

gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) und der Alexander von Humboldt Stiftung (AvH)

Etablierte Synthesemethoden für Nanopartikel arbeiten oft nahe oder sogar im thermodynamischen Gleichgewicht und werden durch Löslichkeitsgrenzen oder Oberflächenrekonstruktionen begrenzt. Eine Alternative ist die Modifikation von Nanopartikeln durch Ionenbestrahlung, um neue Nanostrukturen mit ungewöhnlichen Eigenschaften zu generieren.  Verschiedene Prozesse finden dabei auf unterschiedlichen Skalen statt, und unterscheiden sich erheblich von denen, wenn Volumenmaterialien bestrahlt werden. Dies sind z.B. eine geringere Einbaueffizienz der implantierten Ionen, höhere Zerstäubungsraten, stärkeres dynamisches Ausheilen. Wir untersuchen die Dynamik der Strukturänderungen bei der Ionenbestrahlung mit verschiedenen hochauflösenden Techniken, und führen parallel dazu Monte-Carlo Simulationen mit den Programmen iradina oder TRI3DYN durch, um die grundlegenden Prozesse besser zu verstehen.

Weiterhin untersuchen wir die Synthese von magnetischen Nanoteilchen in ionenimplantierten Oxiden in Zusammenarbeit mit einer Forschergruppe in Südafrika. Wir nutzen dabei unsere einzigartige komplementäre Expertise in der Ionenimplantation (Jena) und der magnetischen Charakterisierung (Südafrika) durch Mößbauerspektroskopie, um die Bildungsmechanismen bei der Ionenstrahlsynthese zu studieren. Inbesondere die resultierende Größe der Nanoteilchen sowie deren magnetische Eigenschaften bestimmen wir als Funktion der Ionenfluenz als auch einer anschließenden Wärmebehandlung.