Layer Transfer erlaubt prinzipiell das Zusammenfügen kristalliner Materialien quasi losgelöst von den thermodynamischen, kinetischen oder geometrischen Limitierungen (Kristallgitterdimension und Symmetrie, Kombination thermodynamischer Phasen, Benetzungseigenschaften) des klassischen Volumen- und Dünnfilmwachstums. Somit können zukünftig innovative kristalline Heterostrukturen mit maßgeschneiderten Eigenschaften in revolutionärer Weise synthetisiert werden. Insbesondere wurde mit 2D-Kristallen [Graphen, Übergangsmetall-Dichalkogenide (TMDC), hexagonales Bornitrid (hBN)] gezeigt, dass sich neue Materialeigenschaften und spezifische Funktionalitäten von Bauelementen alleine durch besondere Abfolge und Orientierung von 2D-Schichten erreichen lassen. Solche künstliche Heterostrukturen lassen sich oftmals nur über Layer Transfer realisieren und gerade nicht über etabliertes Kristallwachstum. Deshalb hat sich Layer Transfer als neue „bottom-up“ Methode zum Aufbau neuartiger „2D goes 3D“ Materialien etabliert und stellt einen fundamental neuen Syntheseweg kristalliner Materialien dar.

Unsere strategische Kooperation „Layer Transfer für 2D-Heteroschichten“ sehen wir als integralen Teil der übergeordneten Anstrengungen zur Materialsouveränität und wir haben den Anspruch, zur Entwicklung von Quantenmaterialien im Berliner Raum ganz wesentlich beizutragen.

Eine erfolgreiche Zusammenarbeit versprechen die komplementäre Expertise der AG Layer Transfer von Dr. Martin und der AG HYD von Prof. List-Kratochvil,  welche natürliche Synergieeffekte und eine ideale Grundlage für den wissenschaftlichen Austausch und die Entwicklung neuer Forschungsvorhaben bietet.

Leibniz-Institut für Kristallzüchtung (IKZ)
Koordination:
Dr. Jens Martin
https://www.ikz-berlin.de/forschung-lehre/nanostrukturen-schichten/sektion-halbleiternanostrukturen

IRIS-Adlershof
Koordination:
Dr. rer. nat. Sylke Blumstengel
Hybrid Devices Group, Institut für Physik, Institut für Chemie & IRIS Adlershof
http://www.hyd.iris-adlershof.de/

Mit ihrer Fülle an funktionalen Eigenschaften sind dielektrische Oxidschichten und 2D-Materialien im Fokus weltweiter Untersuchungen, um einerseits die physikalischen Grundlagen auf atomarer Skala zu verstehen, als auch spezifische funktionale Eigenschaften für technische Anwendungen zu entwickeln. Die Komplexität dieser Materialsysteme hinsichtlich der Synthese und physikalischen Charakterisierung funktionaler Schichten, als auch der Prozessentwicklung und Integration von Bauteilen, übersteigt jedoch die Möglichkeiten und Kapazitäten einzelner Forschungseinrichtungen. IKZ und Jiatong Universität in Xi’an haben sich deshalb entschlossen ein gemeinsames Labor zu gründen, um von Synergien komplementärer Forschung und Ausbildung von Studenten zu profitieren. Es werden Online-Vorlesungen, Doktorandenaustausch, und internationale Workshops organisiert, um die gemeinsam gesteckten Ziele zu verwirklichen. Zur Zeit konzentriert sich die Forschung auf die Entwicklung bleifreier ferro- und piezoelektrischer Schichten für grüne Technologien im Bereich Sensorik und Energiegewinnung, z.B. für das kommende „Internet of Things“ (IoT). Zudem werden Grundlagenphysik und Fabrikationsprozesse von 2D-Materialien erforscht, mit der Vision, zukünftig neuartige 3D-Kristalle mittels atomaren Lage-bei-Lage Transfers zu realisieren.

Xi'an Jiaotong-Universität:
Leitung: Prof. Gang Niu
Prof. Gang Nius Internetpräsenz:  http://gr.xjtu.edu.cn/web/gangniu
International School on Dielectics: http://esteie.xjtu.edu.cn/ 

IKZ:
Leitung: Dr. Jutta Schwarzkopf
Sektion: Nanostrukturen & Schichten / Dünne Oxidschichten
Dr. Jens Martin
Sektion: Nanostrukturen & Schichten / Dünne Oxidschichten / Thema: „2D goes 3D” by Layer Transfer

Die Elektronenmikroskopie ist die vielseitigste Technik, um korrelierte Informationen über strukturelle und physikalische Eigenschaften von Festkörpern mit hoher räumlicher Auflösung zu erhalten. Transmissionselektronenmikroskopie und Rastertransmissions-Elektronenmikroskopie haben in den letzten Jahren enorme methodische Fortschritte gemacht. Die Möglichkeit, aberrationskorrigierte Linsen zu realiseren, erlaubt es, echte atomare Auflösung mit einer Auflösung von 0,05 nm zu erreichen und atomare Positionen mit einer Genauigkeit im pm-Bereich zu messen. Analytische Methoden ermöglichen heute die chemische Kartierung mit atomarer Auflösung; die Elektronenverlust-Spektroskopie erzielt eine Energieauflösung, die mit der in Synchrotrons erreichbaren konkurriert. Die Entwicklung schneller Kameras mit Einzelelektronenempfindlichkeit und von neuen Probenhaltern, die es ermöglichen, Prozesse in situ unter Vorspannung, bei hoher Temperatur und unter Umgebungsdruck zu verfolgen, erlauben es, Prozesse in Festkörpern mit atomarer Auflösung zu verfolgen.

JEMA stellt neueste Geräte in der strukturellen und analytischen Elektronenmikroskopie zur Verfügung. Während das IKZ ein aberrationskorrigiertes (S)TEM (FEI Titan 80-300) zur Verfügung stellt, das mit einer schnellen CETA2-Kamera (bis zu 400 Bilder pro Sekunde) und neuesten In-situ-Haltern ausgestattet ist, die den Betrieb unter Vorspannung und Erwärmung (Protochips Fusion) und bei verschiedenen Gasatmosphären bis zu Atmosphärendruck und Temperaturen bis zu 1000°C (Protochips Atmosphere) ermöglichen, verfügt die Humboldt-Universität über (S)TEMs, ausgestattet für energiedispersive Spektroskopie und Energieverlustspektroskopie.

Das Leibniz-Institut für Kristallzüchtung bringt neben dem (Raster-)Transmissions-Elektronenmikroskop zusätzlich zwei Rasterelektronenmikroskope in das Zentrum ein, darunter ein vollständig analytisches Dualbeammikroskop (FEI Nova 600), mit dem Proben mit einem Ionenstrahl strukturiert und elektronentransparente Lamellen aus ausgewählten Bereichen hergestellt werden können. Dieses Mikroskop bietet zusätzlich energiedispersive und Wellenlängenspektroskopie sowie Elektronenrückstreuungs-beugung. Ein SEM-Thermo-Fisher-Apreo S mit drei In-Lens-Detektoren und einem STEM-Detektor ist mit einer He-Kühlstufe und einem Gatan Monarc CL-System ausgestattet, um die optischen Eigenschaften von Halbleitern zu untersuchen.

JEMA war die erste gemeinsame Aktivität auf dem Gebiet der Elektronenmikroskopie in Adlershof. Ein ähnliches Zentrum besteht mittlerweile zwischen dem Helmholtz Zentrum Berlin und der HU Berlin auf dem Gebiet der Kryomikroskopie. Weitere gemeinsame Labore sind auf dem Weg. Damit entwickelt sich der Campus Adlershof zunehmend zu einem Zentrum für Elektronenmikroskopie in Berlin.

Im Bereich der experimentellen Infrastruktur betreibt die IKZ-Gruppe Röntgenoptik am Joint Lab gemeinsam mit DESY Nanolab ein Laserlabor zur zeitaufgelösten, ultraschnellen Spektroskopie. Hier können IKZ-Materialien mit optischen Methoden charakterisiert werden. Das Labor wird zudem für Vorstudien von Strahlzeiten am Synchrotron genutzt.

Ziel dieser Zusammenarbeit ist es, dünne Filme von komplexen Oxiden mit wesentlich verbesserten elektronischen Eigenschaften oder mit spektakulären neuen physikalischen Phänomenen zu erzeugen. Dabei setzen wir auf vielversprechende Systeme, bei denen diese besonderen Schichteigenschaften durch geeignete Substrate verwirklicht werden können. Die interessierenden elektronischen Eigenschaften und Phänomene beinhalten Supraleitfähigkeit, Ferroelektrizität, Ferromagnetismus, Antiferromagnetismus, Piezoelektrizität, Pyroelektrizität, Multiferroelektrizität, Metall-Isolator-Übergänge, Katalyse, elektrische Mobilität, hohe Spinpolarisation, Thermoelektrizität, nichtlineare optische, magnetoelektrische, magnetooptische und magnetothermische Effekte. Komplexe Oxide sind für viele dieser Eigenschaften wahre Rekordhalter. Allerdings sind in vielen Fällen die Eigenschaften von neuartigen Dünnschichten nicht mit Volumenkristallen vergleichbar, da bis heute keine geeigneten Substrate kommerziell verfügbar sind. Dies ist bei einem großen Teil von Perowskiten, Pyrochloren, Magnetoplumbiten und bei einer Vielzahl von anderen komplexen Oxiden der Fall.

Bei der Realisierung der gewünschten Eigenschaften nehmen isostrukturelle Substrate mit guter Gitterübereinstimmung eine Schlüsselstellung ein. Unsere Zusammenarbeit umfasst zwei Arten von Substraten mit verschiedenen Anforderungen. Dies sind einerseits gitterangepasste Substrate für die stabilen Polymorphe komplexer Oxide, deren herausragende Eigenschaften bisher nicht in Dünnschichtform erreicht werden konnten. Zum anderen beinhaltet die Zusammenarbeit die Entwicklung von Substraten für epitaktisch aufgewachsene metastabile Polymorphe von Oxiden, die als Volumenkristall nicht herstellbar sind. Das vielversprechende Potential des letztgenannten Ansatzes wurde durch ein gemeinsames Experiment demonstriert. Die darauf beruhende Veröffentlichung von Haeni et al. (2004) erwies sich als richtungsweisend für die Forschung auf dem Gebiet des Strain-Engineering von komplexen Oxiden.

Leibniz-Institut für Kristallzüchtung (IKZ):
Koordination: Dr. Christo Guguschev
Sektion: Oxide & Fluoride / Substratkristalle für funktionelle Oxide

Cornell University:
Koordination: Prof. Darrell G. Schlom
Herbert Fisk Johnson Professor für Industrielle Chemie in der Abteilung Materialwissenschaften & Leibniz Chair am IKZ
Cornell Webseite: http://schlom.mse.cornell.edu/
Leibniz Chair: https://www.leibniz-gemeinschaft.de/ueber-uns/international/leibniz-chairs.html

J. H. Haeni, P. Irvin, W. Chang, R. Uecker, P. Reiche, Y. L. Li, S. Choudhury, W. Tian, M. E. Hawley, B. Craigo, A. K. Tagantsev, X. Q. Pan, S. K. Streiffer, L. Q. Chen, S. W. Kirchoefer, J. Levy & D. G. Schlom
Room-temperature ferroelectricity in strained SrTiO₃
Nature
DOI: https://doi.org/10.1038/nature02773

K.J. Choi, M.D. Biegalski, Y.L. Li, A. Sharan, J. Schubert, R. Uecker, P. Reiche, Y.B. Chen, X.Q. Pan, V. Gopalan, L.-Q. Chen, D.G. Schlom, and C.B. Eom
Enhancement of Ferroelectricity in Strained BaTiO₃ Thin Films
Science
DOI: https://doi.org/10.1126/science.1103218

J.H. Lee, L. Fang, E. Vlahos, X. Ke, Y.W. Jung, L.F. Kourkoutis, J-W. Kim, P.J. Ryan, T. Heeg, M. Roeckerath, V. Goian, M. Bernhagen, R. Uecker, P.C. Hammel, K.M. Rabe, S. Kamba, J. Schubert, J.W. Freeland, D.A. Muller, C.J. Fennie, P. Schiffer, V. Gopalan, E. Johnston-Halperin, and D.G. Schlom
A Strong Ferroelectric Ferromagnet Created by means of Spin-Lattice Coupling
Nature
DOI: https://doi.org/10.1038/nature10219

D. G. Schlom, L. Chen, C. J. Fennie, V. Gopalan, D. A. Muller, X. Pan, R. Ramesh and R. Uecker
Elastic strain engineering of ferroic oxides
MRS BULLETIN
DOI: https://doi.org/10.1557/mrs.2014.1

N.M. Dawley, E.J. Marksz, A.M. Hagerstrom, G.H. Olsen, M.E. Holtz, V. Goian, C. Kadlec, J. Zhang, X. Lu, J.A. Drisko, R. Uecker, S. Ganschow, C.J. Long, J.C. Booth, S. Kamba, C.J. Fennie, D.A. Muller, N.D. Orloff, and D.G. Schlom
Targeted Chemical Pressure Yields Tunable Millimetre-Wave Dielectric
Nature Materials
DOI: https://doi.org/10.1038/s41563-019-0564-4

C. Guguschev, D. Klimm, M. Brützam, T.M. Gesing, M. Gogolin, H. Paik, A. Dittmar, V.J. Fratello, D.G. Schlom
Single crystal growth and characterization of Ba₂ScNbO₆ – A novel substrate for BaSnO₃ films
DOI: https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2019.125263

A patent application is ongoing (US reference number: 16/424,987)

Dies umfasst die Abscheidung und Charakterisierung von einkristallinen, defektarmen Oxidschichten mit definierten, durch Dotierung und Verspannungen angepassten elektrischen und strukturellen Eigenschaften. Um eine hohe strukturelle Perfektion bei den Schichten zu erreichen wird in der Sektion „Dünne Oxidfilme“ die Methode der metall-organischen Gasphasenepitaxie (MOVPE) eingesetzt, welche durch ihr Skalierungspotential bereits in der Industrie die Abscheidemethode der Wahl ist. In dem Applikationslabor streben wir Synergien insbesondere mit regionalen akademischen und industriellen Partnern an.

Am IKZ werden insbesondere Messungen mit „Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectroscopy“ (ICP-OES) und Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) durchgeführt. Vor der eigentlichen ICP-OES Messung müssen die zu messenden Materialien zunächst mit einem geeigneten Verfahren aufgeschlossen werden, das Material- und Verunreinigungsspezifisch entwickelt werden muss. In der Regel handelt es sich dabei um Mahlen und Mikrowellenaufschluss in saurer oder basischer Lösung. RFA-Messungen werden v. a. für die flächenhafte Darstellung von Zusammensetzung und Verunreinigungen mit einer Auflösung von 25 µm eingesetzt. Die Kernkompetenz des IKZ ist die Messung von oxidischen (z. B. Ga₂O₃, REScO₃) und fluoridischen (CaF, KTF) Materialien.

Auf Anfrage bietet das IKZ auch für externe Kunden für die oben genannten Materialien Messservice an.

Für die strukturelle und optische Charakterisierung werden typischerweise Wafer oder Längsschnitte mit polierten Oberflächen hergestellt und anschließend geätzt oder durchstrahlt. Für die Herstellung der benötigten Oberflächengüte stehen mehrere Laborpoliermaschinen zur Verfügung auf denen mit verschiedenen Poliermitteln mit rein mechanischen aber auch chemisch-mechanischen Prozessen poliert werden kann. Für Laseranwendungen werden zusätzlich 3D-Proben benötigt bei denen exakte Winkel der Probenoberflächen zueinander realisiert werden müssen. Neben präzisen Säge- und Poliermaschinen stehen dafür Röntgen- und Lasermessgeräte zur Verfügung mit denen die Proben vor der Bearbeitung exakt ausgerichtet werden können.

Auf Anfrage bietet das IKZ auch für externe Kunden einen Bearbeitungsservice für die oben genannten Materialien an.

Bei elektrischen Bauelementen aus dünnen epitaktischen Schichten herrschen oftmals sehr große elektrische Felder, wobei lokale Defekte die Funktionalität der Bauelemente stark negativ beeinflussen können. Kleine elektrische Kontakte minimieren Fehlfunktionen und erlauben zudem eine gute Statistik. Eine weitere Anwendung von Lithographie ist die elektrische Charakterisierung von 2D-Kristalliten. Wegen der unregelmäßigen Form muss auch die Form der elektrischen Kontakte individuell angepasst werden.

Hao Chen, Pinjia Zhou, Jiawei Liu, Jiabin Qiao, Barbaros Oezyilmaz, Jens Martin
Gate controlled valley polarizer in bilayer graphene
Nature Communications
DOI: 10.1038/s41467-020-15117-y