Unser Ziel ist die Nutzung und Weiterentwicklung synchrotronbasierter Röntgenmethoden für eine Multiskalencharakterisierung der Realstruktur von Kristallen. Jüngste Entwicklungen von Synchrotronstrahlungsquellen der 4. Generation bieten neue Ansätze der Untersuchung kristalliner Materialien von atomaren bis hin zu makroskopischen Größenordnungen. Die Nutzung von Röntgenstrahlung bei Experimenten an Kristallen in komplexen Umgebungen (während Wachstum, Behandlung oder in Betrieb) erlaubt dabei einen tiefen Einblick in Dynamik und Umwandlung von Kristallstrukturen.

Wir untersuchen den Einfluss der Realstruktur von Kristallen auf die Materialeigenschaften in Abhängigkeit verschiedener Umgebungsparameter. Dies umfasst die Charakterisierung atomarer Verschiebungen, die das Verhalten von Kristallen in äußeren Feldern bestimmen, sowie die Abbildung von Gitterdefekten, welche die optischen und elektronischen Eigenschaften von Halbleitermaterialien beeinflussen und daher besonders bedeutsam für die Funktionalität elektronischer Bauelemente sind.

Die Gruppe für Elektronenmikroskopie konzentriert sich auf die Beziehung zwischen physikalischen Eigenschaften und Struktur von Halbleitern und Oxiden sowie von epitaktischen Materialien. Dazu werden modernste elektronenmikroskopische Techniken eingesetzt. Durch die Entdeckung neuartiger Phänomene, ihr grundlegendes Verständnis und die Entwicklung von prädiktiven Modellen wollen wir die Materialperfektion verbessern und Perspektiven für deren technologischen Anwendungen eröffnen. Um diese Ziele zu erreichen, kombinieren wir das gesamte Spektrum struktureller und analytischer Techniken und beschäftigen uns mit methodischen Entwicklungen.

Unsere wichtigsten Forschungsschwerpunkte sind atomare Defekte, Grenzflächen, elementare Wachstumsmechanismen epitaktischer Schichten, Thermodynamik und Kinetik der Phasenbildung sowie plastische und elastische Prozesse während des heteroepitaktischen Wachstums. In Bezug auf die Materialien konzentrieren wir uns stark auf III-Nitride, Gruppe III Sesquioxide, komplexe Oxide und die elementaren Halbleiter Si und Ge. Wir entwickeln In-situ-Techniken, um die atomaren Prozesse von Diffusion, Kristallisation und Phasenübergängen zu untersuchen.

Mit Hilfe modernster Röntgenverfahren wollen wir ein grundlegendes Verständnis der Korrelation von strukturellen und physikalischen Eigenschaften in kristallinen Materialien erzielen. Diese Untersuchungen tragen auch dazu bei, die Materialperfektion zu verbessern sowie Wege für mögliche technologische Anwendungen aufzuzeigen. Hierfür steht uns eine Reihe von hochspezialisierten Instrumenten im IKZ zur Verfügung, wobei auch anspruchsvolle Experimente an Synchrotronstrahlungsquellen durchgeführt werden.

Neben der Bestimmung von Kristallorientierung und Kristallphasen befassen wir uns primär mit der Aufklärung der Realstruktur in Volumenkristallen und epitaktischen Schichtsystemen. Bei ferroelektrischen Schichten streben wir ein grundlegendes Verständnis der Phasen- und Domänenbildung an, wobei Phasenumwandlungen durch komplexe in situ Experimente identifiziert und charakterisiert werden.  Zur Verifizierung von Realstruktur-Modellen werden entsprechende Simulationsrechnungen entwickelt.

Die dynamischen Prozess-Struktur-Eigenschaftsbeziehungen unter realistischen Bedingungen auf relevanten Längen- und Zeitskalen zu etabieren ist entscheidend, um bahnbrechende Fortschritte in der Materialwissenschaft zu erreichen.

Die In-Situ-TEM-Gruppe entwickelt In-situ- und Operando-TEM-Techniken, um chemische, strukturelle und elektronische Veränderungen vom Mikro- bis zum Atommaßstab korreliert zu visualisieren, zu steuern und zu verstehen. FAIR-Prinzipien und KI werden eingesetzt, um Workflows zu optimieren, Messerfahren zu standardisieren und den Wissensaustausch unter Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern  zu verbessern.

Unser Ziel ist es, wissenschaftliche Entdeckungen zu beschleunigen und Innovationen in der Materialwissenschaft voranzutreiben, um uns an der Spitze des Feldes zu positionieren.

Wir sind bestrebt, das Verständnis und die Entwicklung elektronischer und photonischer Materialien am IKZ sowie bei unseren Kooperationspartnern voranzutreiben, indem wir die Leistungsfähigkeit von In-situ-TEM-Techniken nutzen. Unsere Forschung konzentriert sich dabei auf die Analyse fundamentaler Aspekte der Phasenumwandlung in Oxiden und die Entschlüsselung der Dynamik, die das Verhalten von memristiven Materialien für neuromorphes Computing, LEDs und SiGe-basierten Qubits für Quantencomputing unter Betriebsbedingungen bestimmt. Dazu setzen wir modernste TEM-Techniken ein, wie HRTEM, HAADF, DPC, iDPC, EDS, EELS, 4DSTEM. MEMS-basierte In-situ-TEM-Plattformen ermöglichen es uns, dynamische Änderungen in der chemischen Zusammensetzung, Gitterverzerrung, Polarisation, Bandlücke, elektrische Felder und andere relevante Parameter bis in den atomaren Bereich zu erforschen. Gleichzeitig werden elektrische oder optische Eigenschaften gemessen.

Die halbleiterbasierte Leistungselektronik ist eine Schlüsseltechnologie zur Lösung einer der größten gesellschaftlichen Herausforderung – der nachhaltigen Energieerzeugung/Energieumwandlung. Neben der Umstellung der Energieerzeugung auf erneuerbare und dezentrale Quellen ist die effiziente Nutzung von Energie der wichtigste Hebel um die Nachhaltigkeitsziele im Energiebereich zu erreichen. Effizientere Leistungselektronik trägt nicht nur zur Reduzierung schädlicher Emissionen durch effizientere Nutzung von Energie bei, sondern erhöht auch die Wirtschaftlichkeit energieintensiver Prozesse. Das Projekt „All-GO-HEMT“ zielt daher auf eine erhebliche Effizienzsteigerung in der Leistungselektronik durch die Entwicklung von β-(Al_xGa_1-x)₂O₃/Ga₂O₃-Heterostrukturen mit hoher Elektronenbeweglichkeit ab. Unter der Leitung von Dr. Andreas Fiedler legt das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Nachwuchsprogramms NanoMatFutur geförderte Projekt All-GO-HEMT (03XP0630) einen wesentlichen Grundstein im Bereich Wissenschaft für Technologiesouveränität.

Für die Umsetzung des Forschungsvorhabens ist ein hohes Maß an Interdisziplinarität unabdingbar. All-GO-HEMT realisiert dies durch eine Kompetenzverzahnung der IKZ Arbeitsbereiche Elektrische Charakterisierung, Epitaxie und Elektronenmikroskopie. Konkret soll im Projekt erstmalig ein β-(Al_xGa_1-x)₂O₃/Ga₂O₃ Heteroepitaxieprozess mittels MOVPE (Metallorganische Gasphasenepitaxie) mit homogener Schichtdicke, glatter Grenzfläche, hohem Aluminiumgehalt und Delta-Dotierung über die gesamte Substratgröße von bis zu 2-Zoll entwickelt werden.

Unsere Aufgabe besteht darin, ein detailliertes Verständnis der grundlegenden physikalischen Eigenschaften von Massenkristallen und dünnen Schichten zu gewinnen. In diesem Zusammenhang stellt die optische Spektroskopie ein äußerst vielseitiges analytisches Charakterisierungswerkzeug dar. Wir konzentrieren uns auf die Untersuchung optischer Prozesse, die Informationen über materialspezifische Eigenschaften enthalten. Dazu zählen intrinsische Eigenschaften des Systems, wie Bandlücken oder vibronische Zustände, als auch über extrinsische Eigenschaften, die mit Struktur- oder Punktdefekten zusammenhängen. Wir forschen sowohl an neuartigen Kristallsystemen, die im Hause gezüchtet wurden, als auch an solchen, die uns von Kooperationspartnern zur Verfügung gestellt wurden.

Die derzeit untersuchten Materialien umfassen neuartige Oxide für memristive Anwendungen sowie III-Nitride für die Optoelektronik. Zur Untersuchung ihrer physikalischen Eigenschaften steht uns eine Vielzahl von experimentellen Methoden zur Verfügung. Neben weit verbreiteten Techniken wie Emissions-, Absorptions- und Raman-Spektroskopie führen wir auch hoch räumlich aufgelöste Kathodolumineszenz-Spektroskopie durch. Darüber hinaus bieten selbstentwickelte Systeme die Möglichkeit, experimentell schwer zugängliche Parameter zu erfassen. Dazu gehört die Transmissionsspektroskopie von Volumenkristallen bei sehr hohen Temperaturen > 1000°C zur Untersuchung der Temperaturabhängigkeit von Bandlücken oder Defektabsorptionsbanden. Darüber hinaus wenden wir zur Erkennung von Inhomogenitäten in großen Volumenkristallen eine 3D-tomographische Analyse von Streulicht an.