Fluorid-Einkristalle sind Schlüsselkomponenten für eine Vielzahl von Photonik-Anwendungen, z.B. Lasermaterialien, optische Isolatoren sowie nichtlineare Frequenzwandler und optische Fenster im tiefen UV-Bereich. Optische Isolatoren aus Fluoriden können bei höheren Leistungen betrieben werden als Oxide. Sie sind auch ideal geeignet für die Festkörper-Laserkühlung (optische Kühlung), dabei werden feste Materialien durch Laseranregung unter Raumtemperatur abgekühlt.

Die Nachwuchsgruppe arbeitet insbesondere an der Schmelzzüchtung von hochwertigen mit Seltenerd-Ionen dotierten Fluorid-Einkristallen für die Laserkühlung. Dazu müssen die Bildung von Fremdphasen und Farbzentren verringert sowie die Sauerstoffkontamination und interne Spannungen minimiert werden. Durch eine Fluorierung der Ausgangsstoffe werden Kristalle höchster Reinheit hergestellt. Die anwendungsrelevanten Eigenschaften der gezüchteten Kristalle werden in Zusammenarbeit mit dem IKZ Zentrum für Lasermaterialien demonstriert.

Unser Schwerpunkt liegt auf der Grundlagenforschung des magnetoelektrischen Effekts, wobei wir die Beziehung zwischen Kristallstruktur und magnetischer Ordnung untersuchen. Wir stellen hochwertige Proben für Studien zur Spinwellen-Dynamik zur Verfügung und versuchen, Materialien zu synthetisieren, die normalerweise nicht als Volumen-Einkristalle verfügbar sind.

Wir haben uns auf das Einkristallwachstum von Oxiden spezialisiert, die Eisen enthalten, wobei wir sowohl Lösungszüchtung als auch optische Floating-Zone-Techniken verwenden.
Dabei kommt es vor allem auf die Züchtungsumgebung, die Einflussfaktoren sowie die Züchtungs- und Abkühlgeschwindigkeit an. Das Verständnis und die Kontrolle der magnetischen Ordnung erfordern eine detaillierte Charakterisierung der chemischen Zusammensetzung und der strukturellen Parameter.

Wir stellen transparente leitende oder halbleitende Oxid-Einkristalle her. Das Thema ist vor allem durch unsere Pionierarbeit zu 2" β-Ga₂O₃-Einkristallen (mittels Czochralski-Verfahren) und anderen binären Oxiden (In₂O₃, SnO₂) bekannt. In den letzten Jahren haben wir Gallium-basierte Spinelle (MgGa₂O₄, ZnGa₂O₄), Bariumstannat (BaSnO₃) und Lanthanindat (LaInO₃) entwickelt. Substrate und dünne Filme aus diesen Kristallen ermöglichen neue Bauelementstrukturen z.B. in der Leistungs- und Optoelektronik, für Sensoren und ferrimagnetische Dünnschichten und als Szintillatormaterial.

Die Züchtung dieser Kristalle wird durch die Tendenz zur Zersetzung bei Temperaturen nahe dem Schmelzpunkt erschwert. Daher verwenden wir spezielle Züchtungsmethoden, setzen dynamische Gasatmosphären ein und erhöhen die Wachstumsstabilität, um große Kristallvolumina zu erhalten. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf der Kontrolle und Charakterisierung der elektrischen und optischen Eigenschaften in Abhängigkeit von Wachstums-, Dotierungs- und Temperbedingungen.

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Schwerpunkt ist die Entwicklung von neuen Volumenkristallen mit definierten Gitterparametern v.a. mit Perowskit-, Pyrochlor- oder Magnetoplumbitstruktur. In Form von präparierten Substraten sind sie essentielle Voraussetzung für neue, epitaktisch gewachsene Oxidschichten mit interessanten ferroelektrischen, supraleitenden, ferromagnetischen, piezoelektrischen, multiferroischen oder elektronischen Eigenschaften. Einige der Kristalle sind auch für optische Anwendungen attraktiv. Die meisten Verbindungen werden ausschließlich am IKZ für unsere Industrie- und Kooperationspartner gezüchtet.

Die Wachstumstemperatur liegt zumeist im Bereich zwischen 1500°C und 3000°C. Abhängig von den Materialeigenschaften bei den hohen Temperaturen und den Anforderungen an Strukturqualität und Reinheit werden die Kristalle mit tiegelbasierten oder tiegelfreien Methoden aus der Schmelze oder aus der Schmelzlösung gezüchtet. Herausforderungen sind unzureichender Wärmetransport, innere Spannungen in den Kristallen und Tiegelstabilität. Die Kristalle werden hinsichtlich ihrer strukturellen Qualität und chemischen Zusammensetzung untersucht.

Einzelne Einkristalle werden als Referenzmaterialien in verschiedenen Bereichen der Wissenschaft, z.B. Geologie, Materialwissenschaft, Festkörperchemie und Physik, benötigt. Forschungseinrichtungen, Unternehmen und Technologieunternehmen verwenden sie zur detaillierten Untersuchung, zur Demonstration des Anwendungspotenzials oder um daraus eine Produktion zu entwickeln. Wir können alle Materialien herstellen, die in unseren Kompetenzbereich fallen und die nicht kommerziell verfügbar sind.

Wir haben Erfahrung in der Kristallzüchtung verschiedener Verbindungen und stellen Kristalle von höchster Qualität und Reinheit her. Unsere Kernkompetenz ist die Kristallzüchtung aus der Schmelze bei hohen Temperaturen, aber wir können wir eine Vielzahl von Züchtungsmethoden anwenden. Bei der Charakterisierung der Kristalle hilft uns die hauseigene Abteilung. Je nach Ziel und Aufwand arbeiten wir im Rahmen einer Forschungszusammenarbeit, einer gemeinsamen Entwicklung oder auf Vollkostenbasis.

Wir verwenden thermochemische und Elementanalysen, um festzustellen, wie ein bestimmtes Material am besten als Einkristall mit den gewünschten Eigenschaften gezüchtet werden kann. Ungleichmäßiges Schmelzen, Materialzersetzung oder instabile Metalloxidationszustände können durch die Erstellung geeigneter Phasendiagramme entschärft werden. Wir optimieren die Zusammensetzung der Ausgangsmaterialien für die jeweiligen Wachstumsmethoden und die Wachstumsatmosphäre. Nach dem Wachstum bestimmen wir die thermischen Eigenschaften und die chemische Zusammensetzung, um die Qualität zu überwachen und mit den Erwartungen zu vergleichen. Mit unserem Fachwissen unterstützen wir auch die anderen IKZ-Aktivitäten hinsichtlich ihrer Prozesstechnologien.

Die optimalen Kristallwachstumsbedingungen werden durch die Bestimmung des Phasendiagramms von binären oder ternären Systemen mit Differenz-Thermoanalyse (DTA), Dynamische Differenzkalorimetrie (DSC) und Thermogravimetrie (TG) in oxidierenden, reduzierenden oder inerten Atmosphären bis 2400 °C ermittelt. Die DTA-Analyse kann durch die Analyse des entstehenden Gases mit einem Quadrupol-Massenspektrometer ergänzt werden. Darüber hinaus setzen wir Röntgenbeugung und Wärmeleitfähigkeitsmessungen (Laser-Flash) ein und führen thermodynamische Berechnungen durch.

Wir führen auch Elementanalysen mit Hilfe der optischen Emissionsspektroskopie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-OES) (für die meisten Elemente verfügbar) sowie spezielle H-, C-, N-, O- und S-Analysen mit Inertgasanalysegeräten durch. Die Messungen sind ein wesentlicher Bestandteil der Qualitätsbeurteilung von Ausgangsmaterial und Endprodukt sowie der Überprüfung von Phasendiagrammen.