"Mai 2019 IKZ-News:Ur-Kilogramm abgelöst -
Neues Internationales Einheitensystem (SI) am 20. Mai 2019 in Kraft getreten"

Neben Ampere, Kelvin, Mol und Co. wird ab sofort nun auch das Kilogramm über eine Naturkonstante definiert. Konkret bedeutet dies, dass das seit 130 Jahren als Maß aller Dinge geltende Ur-Kilogramm in Paris ausgedient hat. Ermöglicht wird das durch die am Leibniz-Institut für Kristallzüchtung (IKZ) gezüchteten Einkristalle aus dem hoch angereicherten Isotop Silizium-28.

Si AnlageIm Kontext des KILOGRAMM-Projekts in einer Floating Zone Anlage gezüchteter Prototyp eines Silizium-28 Einkristalls  (Quelle: IKZ)

Bereits am 16. November 2018 wurde auf der 26. Generalkonferenz für Maße und Gewichte in Paris das neue Internationale Einheitensystem (SI) beschlossen. Nun trat das System am 20. Mai 2019, dem Weltmetrologietag, offiziell in Kraft. Von jetzt an bilden 7 Naturkonstanten das Fundament allen Messens.

 

Für das Kilogramm gilt ab sofort die Neudefinition über die Planck-Konstante, und somit wird diese Einheit nicht mehr über die Masse des Ur-Kilogramms bestimmt. Davon profitieren vor allem die Wissenschafts- und Hochtechnologie-Communities. Das IKZ hatte einen entscheidenden Anteil daran, dass das fast 130 Jahre alte künstliche Objekt des Ur-Kilogramms abgelöst wird, denn die am IKZ gezüchteten hochperfekten Kristalle aus nahezu isotopenreinem Silizium-28 (28Si, Anreicherung bis zu 99,9995 %) waren für dieses Vorhaben von entscheidender Bedeutung.

Bei diesen Kristallen haben nahezu alle Atome die gleiche Masse und sind in einem regelmäßigen dreidimensionalen Gitter angeordnet, was eine sehr genaue Zuordnung zwischen der Masse des Kristalls und der Zahl seiner Atome ermöglicht. Aus diesem Zusammenhang konnte der Wert der Avogadro-Konstante mit nie dagewesener Präzision abgeleitet werden und damit als fundamentale Naturkonstante unter anderem zur Definition des Kilogramms herangezogen werden, da mit Hilfe der Avogadro-Konstante die Plank-Konstante genauer bestimmt werden konnte. Im neuen SI wird der Wert der Avogadro-Konstante festgelegt und ein Mol enthält deswegen genau 6,02214076×1023 Einzelteilchen.

Aber das ist noch nicht alles. Insgesamt werden alle 7 Basiseinheiten nun über Naturkonstanten definiert. Bei der Sekunde (mit dem Hyperfeinstrukturübergang des Grundzustands im Cs-Atom), beim Meter (über die Lichtgeschwindigkeit) und bei der Candela (über das photometrische Strahlungsäquivalent einer speziellen Strahlung) ist dies bereits seit vielen Jahrzehnten der Fall. Nun ziehen auch die übrigen Einheiten nach, wobei hier die Elementarladung (für das Ampere), die Boltzmann-Konstante (für das Kelvin), die Avogadro-Konstante (für das Mol) und die Planck-Konstante (für das Kilogramm) die entscheidenden Rollen spielen.

Im Rahmen der von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig (PTB) geführten „KILOGRAMM“-Projekte wurden aus den im IKZ nach dem Float-Zone-Verfahren (FZ) gezüchteten 28Si-Kristallen mehrere sehr präzise Kugeln mit weniger als 20 nm Formabweichungen bei rund 94 mm Durchmesser und mit einer defektfrei polierten Oberfläche präpariert. Unter diesen Voraussetzungen gelang es der PTB, die Zahl der 28Si-Atome, die eine Kristallkugel von 1 kg Gesamtmasse ergeben mit der geforderten Unsicherheit von weniger als 2 x 10-8 zu bestimmen.


Sie beträgt:        2,152538397 x 1025 Atome Silizium-28    


Um die notwendige Reinheit der aus diesem Material gezüchteten Kristalle zu gewährleisten, sind diverse materialintensive Schmelzzonen-Reinigungsschritte notwendig. Die besonderen Herausforderungen waren deshalb der ca. 1000-fach höhere Materialpreis gegenüber herkömmlichem Silizium sowie die begrenzte Stoffmenge.

 

Silizium gilt als ein sehr umfassend untersuchtes Halbleitermaterial, das weltweit die Mikroelektronik und damit die Kommunikationstechnologien dominiert. Das IKZ wird weiterhin an den extremen Anforderungen für die weitere Verbesserung der Materialeigenschaften arbeiten, um künftige Anwendungen wie künstliche Intelligenz und Quantentechnologien zu ermöglichen. „Die im Rahmen dieses Metrologie-Projektes entwickelte Expertise des IKZ zu isotopenreinen Si Kristallen erlaubt uns, künftig eine zentrale Rolle als Materialforschungsinstitut bei der Entwicklung innovativer Quantentechnologien einzunehmen“, so Prof. Dr. Thomas Schröder, Wissenschaftlicher Direktor des IKZ.

   

Si kg

 

Mehr unter https://www.ptb.de/cms/forschung-entwicklung/forschung-zum-neuen-si/

 

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"März 2019: Einrichtung des Zentrums für Lasermaterialien (ZLM) erfolgreich abgeschlossen"

ZLM Er Lu2O3 crystal bearbeitetMit dem OFZ-Verfahren gezüchteter Erbium-dotierter Lutetiumoxid-Kristall (Er:Lu2O3) | Pho­to: Anastasia Uvarova © IKZ
ZLM Terbium laserWeltweit erster diodengepumpter Terbium-laser.
| Pho­to: Christian Ehlers © IKZ

Seit August 2016 wurden am IKZ unter der Leitung von Dr. Christian Kränkel die Labore und Anlagen des Zentrums für Lasermaterialien - Kristalle (ZLM-K) aufgebaut. Im Fokus standen dabei zunächst die Forschungsziele des BMBF-geförderten Projekts "EQuiLa - Erforschung und Qualifizierung innovativer Lasermaterialien und -kristalle".


Ob in der Materialbearbeitung, der Medizin oder in der Messtechnik - Laser finden in unzähligen Bereichen des täglichen Lebens Anwendung. Dennoch gibt es auch knapp 60 Jahre nach der Erfindung des Lasers noch nicht für jeden Bereich den optimalen Laser. In vielen Fällen liegt dies daran, dass kein geeignetes Lasermaterial zur Verfügung steht, in dem die Laserstrahlung erzeugt werden kann. Hier Abhilfe zu schaffen ist zukünftig Ziel der Forschungsarbeiten am neuen Zentrum für Lasermaterialien am Leibniz-Institut für Kristallzüchtung (IKZ) in Berlin-Adlershof.

Für das gemeinsam mit dem Ferdinand-Braun-Institut (FBH) eingeworbene Projekt wurden am IKZ modernste Anlagen zur Züchtung hochschmelzender Kristalle nach dem optischen Zonenschmelzverfahren (OFZ) aufgebaut. Die erfolgreiche Züchtung von Erbium-dotiertem Lutetiumoxid (Er:Lu2O3) ist ein erster Beleg für die Eignung dieses Ansatzes. Die Züchterin Anastasia Uvarova, Doktorandin am ZLM-K, freut sich: "Dieser sonst nur schwer herstellbare Kristall ist wichtig für Laser im mittleren infraroten Spektralbereich, die zum Beispiel für Laserskalpelle benötigt werden."

Terbium-dotierte Fluoride als aktive Medien eignen sich aufgrund ihrer Emission im sichtbaren Spektralbereich für die direkte und effiziente Erzeugung grüner und gelber Laserstrahlung. Im Projekt wurde nun ein diodengepumpter, Terbium-dotierter Festkörperlaser basierend auf Terbium-dotiertem Lithium-Lutetium-Fluorid (Tb3+:LiLuF4) aufgebaut. "Die erstmalige Anwendung einer solch einfachen Anregungsquelle ist ein wichtiger Schritt für die Nutzung dieser Laser in kommerziellen Anwendungen", erläutert die Laser-Spezialistin Elena Castellano, ebenfalls Doktorandin am ZLM-K.

Dr. Christian Kränkel, Leiter des neuen Zentrums für Lasermaterialien,  erläutert das Konzept: "Die Arbeiten am IKZ und FBH umfassen die gesamte Wertschöpfungskette diodengepumpter Festkörperlaser von der Züchtung der Laserkristalle und deren Präparation über das Wachstum von Halbleiterschichten für Laserdioden und deren Konfektionierung bis zum Aufbau von Laserdemonstratoren."

Zum Beleg dieses Konzepts wurde als Abschluss des Projekts „EQuiLa“ ein diodengepumpter Chrom-Laser-Demonstrator aufgebaut: Das Lasermedium, ein Chrom-dotierter Lithium-Kalzium-Aluminium-Fluorid-Kristall (Cr3+:LiCaAlF6), wurde am IKZ gezüchtet und poliert, während die Pumpquelle, ein auf Indium-Gallium-Phosphid basierender rote Diodenlaser, am FBH hergestellt wurde.

Mit diesen Ergebnissen sind nun am Leibniz-Institut für Kristallzüchtung die Weichen gestellt für weitere erfolgreiche Forschungs- und Entwicklungsarbeiten im Bereich neuartiger Festkörperlaser basierend auf am IKZ gezüchteten Laserkristallen.

 

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"März 2019: Konstruktives multinationales Quantum Tech Meeting am IKZ"

GAs 01Molekularstrahlepitaxie (MBE):
Anlage zur Abscheidung von Silizium und Silizium/Germanium-Nanostrukturen
| Pho­to: IKZ

Die Erforschung innovativer Lösungsansätze durch Nutzung von Quantentechnologien gewinnt einen immer entscheidenderen Beitrag auf Gebieten wie Digitalisierung, Kommunikation, Sensorik oder Kryptografie.

Dabei hängt die erfolgreiche Realisierung der Quantentechnologien in erheblichem Maße von kristallinen Materialien höchster Präzision ab.

 

Genau hier liegt die Expertise des Leibniz-Instituts für Kristallzüchtung (IKZ). Insbesondere die Verwendung von isotopenreinem Silizium und Germanium (Si/Ge) gilt als ein wichtiger Ansatz für Quantenbauelemente.

Das IKZ profitiert im Bereich der Herstellung von reinen und isotopenangereicherten Si/Ge-Kristallen erheblich von seiner weltweit führenden Erfahrung, z.B. bei Projekten zur Definition des neuen kg-Kalibrierstandards.

 

Am 22. März 2019 organisierte das IKZ einen Si/Ge Quantum Materials Workshop, um die gesamte Wertschöpfungskette von der isotopenangereicherten Si/Ge-Materialreinigung und Einkristallzüchtung, der Heteroepitaxie durch CVD und MBE bis hin zur Herstellung von Qubit-Strukturen, einschließlich der Material und Device-Charakterisierung, zu erörtern.

 

Zu diesem Zweck begrüßte das IKZ eine Gruppe von weltweit führenden Forschern: Aus Russland (Prof. Petr G. Sennikov, Institute of Chemistry of High-Purity Substances of the Russian Academy of Sciences, Nizhny Novgorod; Prof. Andrey D. Bulanov, Institute of Chemistry of High-Purity Substances of the Russian Academy of Sciences, Nizhny Novgorod; Prof. Alexander A. Ezhevskii, Department of Physics of Semiconductors and Optoelectronics, Nizhny Novgorod Lobachevsky University), aus Australien (Prof. Sven Rogge, Department of Condensed Matter Physics, University of New South Wales, Sydney), aus Kanada (Prof. Oussama Moutanabbir, Department of Engineering Physics, Polytechnique Montréal), aus Italien (Prof. Giovanni Capellini, Department of Science, Roma Tre University) und aus Deutschland (Dr. Lars Schreiber, Institut für Quanteninformation, RWTH, Aachen; Dr. Wolfgang Klesse , Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik (IHP), Frankfurt/Oder)

 

Das IKZ wird auch weiterhin sein internationales Gastwissenschaftsprogramm nutzen, um die Verbindungen zu diesen führenden Forschungsgruppen durch gegenseitige Forschungsaufenthalte, sowie durch die Initiierung gemeinsamer, drittmittelgestützter Forschungsprojekte zu stärken.

 

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"März 2019: DGKK-Nachwuchspreis 2019 an Dr. Dirk Johannes Kok vergeben"

 

dgkk logo


Für seine Forschungen, im Rahmen seiner Dissertation am Leibniz-Institut für Kristallzüchtung, über den Einfluss der Wachstumsbedingungen auf die optischen Eigenschaften von Strontiumtitanat (SrTiO3) wird Herr Dr. Dirk Johannes Kok mit dem Nachwuchspreis der Deutschen Gesellschaft für Kristallzüchtung und Kristallwachstum (DGKK) ausgezeichnet.

Strontiumtitanat-Kristalle sind unter anderem ein wichtiges Basismaterial für supraleitende Schichten (z.B. extrem sensitive Magnetfeldsensoren) sowie für neuartige elektronische Anwendungen, die die interessanten Eigenschaften oxidischer Schichtstrukturen ausnutzen, z.B. schaltbare Widerstände (Memristoren), Grenzflächenleitung und nichtflüchtige Speicher durch kontrollierte Bildung ferroelektrischer Domänen. Am Leibniz-Institut für Kristallzüchtung (IKZ) wurde eine Züchtungsmethode entwickelt, um Strontiumtitanat-Einkristalle aus der Schmelze mit sehr hoher struktureller Qualität herzustellen. Dirk Kok hat dieses Vorhaben mit seiner Promotionsarbeit, in der er den Einfluss der Wachstumsbedingungen auf die optischen Eigenschaften untersucht hat, wesentlich unterstützt. Die von ihm gefundenen und publizierten Ergebnisse und Modelle zeigen anwendungsrelevante Zusammenhänge zwischen der Wachstumsatmosphäre, der Stöchiometrieabweichung im Kristall und der damit verbundenen Änderung des Gitterparameters. Seine Beobachtungen zum Verlauf der temperaturabhängigen Wärmeleitfähigkeit und Bandlücke sind auf viele andere komplexe Oxidmaterialien anwendbar.


Bereits während seines Chemie-Studiums an der Radboud Universität in Nijmegen, Niederlande kam Herr Kok mit Kristallisationsthemen in Berührung. Die Dissertation wurde von 2013 bis 2017 am Leibniz-Institut für Kristallzüchtung (IKZ) in der Gruppe Oxide und Fluoride unter direkter Betreuung durch Dr. Christo Guguschev sowie PD Dr. Detlef Klimm, Dr. Klaus Irmscher und Prof. Dr. Matthias Bickermann angefertigt. Nach erfolgreicher Verteidigung an der Humboldt-Universität zu Berlin hat Herr Kok am Helmholtz-Zentrum Berlin zur Synthese von Wolframbronzen, in der Abteilung von Priv.-Doz. Dr. Klaus Habicht, geforscht. Ab Mai 2019 wird er für eine PostDoc-Stelle an die Radboud Universität Nijmegen zurückkehren (Gruppe von Prof. Elias Vlieg).


Mit dem DGKK-Nachwuchspreis würdigt die Gesellschaft herausragende wissenschaftliche Leistungen von Nachwuchswissenschaftlern auf dem Gebiet der Kristallzüchtung und des Kristallwachstums. Der Preis ist mit 2.500 € dotiert, die feierliche Übergabe findet am 20. März 2019 auf der DGKK-Kristallzüchtertagung in Posen (Polen) statt. Dirk Kok teilt sich den Preis für 2019 mit Dr. Pascal Puphal vom PSI Villingen (Schweiz).

 

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"Februar 2019: G-ray Nanotech und das Leibniz-Institut für Kristallzüchtung (IKZ)
entwickeln gemeinsam Galliumarsenid-Wafer in Detektorqualität"

GAs 01Galliumarsenid-Einkristall 4", gezüchtet
mit der VGF-Methode | Photo: IKZ

Neue Plattform für leistungsstarke Röntgendetektoren:

G-ray Nanotech und das IKZ sind eine Forschungs- und Entwicklungskooperation eingegangen, die die Dotierung von Galliumarsenidstrukturen und die Herstellung von hochreinen Kristallen in Waferform für Detektoranwendungen umfasst.

„Wir freuen uns, mit einem weltweit führenden Institut im Bereich der Materialwissenschaften zusammenzuarbeiten“, sagt Philippe Le Corre, CEO von G-ray Nanotech. „Die Kompetenzen des IKZ werden es uns ermöglichen, den Ausbau unserer latenium™ Detektorarchitektur für Röntgenanwendungen mittlerer bis hoher Energie sowie im Infrarotspektrum deutlich zu beschleunigen.“

G-ray Industries SA, ein Neuchâteler Start-up-Unternehmen, entwickelt derzeit Detektoren ultra-hoher Leistungsfähigkeit für industrielle zerstörungsfreie Prüflösungen. Diese außerordentlich leistungsfähigen Detektoren werden in Zusammenarbeit mit dem CSEM entwickelt und basieren auf der revolutionären, patentierten latenium™-Technologie von G-ray.

Die latenium™ Evaluation Kits sind ab dem ersten Quartal 2019 für Evaluierungszwecke verfügbar. Darüber hinaus werden die G-Ray-Technologien - insbesondere die kovalente Bindung eines Siliziumwafers an einen GaAs, Ge oder Si-Wafer bei niedrigen Temperaturen und das sehr schnelle epitaktische Wachstum von Germaniumstrukturen - in den Bereichen der Hochenergiephysik-Forschung für neue Partikeldetektoren und in Visionssystemen für die Automobilindustrie positioniert.

„Wir freuen uns, eine langfristige Zusammenarbeit mit G-ray Industries zu beginnen“, sagt Prof. Thomas Schröder, wissenschaftlicher Direktor des IKZ. „Wir sind bestrebt, hochleistungsfähige kristalline Materialien für den Markt zu entwickeln, und die hochmoderne Entwicklung von Röntgenbilddetektoren bei G-Ray ist eine gute Gelegenheit für uns. Wir betrachten die 3D-Heterointegration über “bonding”-Ansätze als eine erfolgreiche Strategie für uns, um neue Technologien durch qualitativ hochwertige, präzise zugeschnittene kristalline Materialien zu entwickeln.“

"Mit unserer Expertise in der Materialwissenschaft und -technologie haben wir das G-ray-Team von Anfang an unterstützt. Dies ist eine hervorragende Gelegenheit, eine bahnbrechende Röntgendetektortechnologie auf den Markt zu bringen", sagt Gian-Luca Bona, CEO Empa, der Eidgenössischen Materialprüfungsanstalt.

Weitere Informationen:
FVB-Berlin
G-ray Nanotech SA

 

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"Dezember 2018: SiGeQuant: Kooperatives Bestreben zur Weiterentwicklung der
Siliziumquantentechnologie"

Vom Senatsausschuss der Leibniz-Gemeinschaft kamen Ende November gute Neuigkeiten: Das Projekt SiGeQuant, unter der Leitung der IKZ-Abteilung "Schichten & Nanostrukturen", wurde im Rahmen des Leibniz-Wettbewerbs ausgewählt und wird in den nächsten drei Jahren mit 998 T€ gefördert. In diesem Projekt bündeln zwei Leibniz- und zwei RWTH-Hochschulinstitute ihre Kompetenzen, um hochreine isotopenangereicherte Si- und Si/Ge-Strukturen zu untersuchen und Bauelemente für die Quantenelektronik herzustellen.

In den letzten Jahren hat sich das Quantencomputing von der Grundlagenforschung zur realen Zukunftstechnologie entwickelt und wird Bereiche wie Kryptographie, Wettervorhersage, Modellierung neuer Materialien oder Logistik revolutionieren. Die Skalierung von Quantenbauelementen, die für die praktische Durchführung groß angelegter paralleler Berechnungen unerlässlich ist, stellt jedoch nach wie vor eine Herausforderung dar. Eine dünne Schicht aus isotopenangereichertem 28Si, die zwischen zwei SiGe-Schichtstapeln eingebettet ist, bietet einen vielversprechenden Ansatz für das Design skalierbarer Spin-Qubits, da er die Kohärenzeigenschaften von Qubits verbessert und mit der CMOS-Technologie kompatibel ist. In diesem Ansatz spielen die Materialeigenschaften der Qubit-Umgebung eine wesentliche Rolle: Kristalldefekte, Verunreinigungen, das Vorhandensein von 29Si-Isotopen und Grenzflächendefekte gefährden die Qubit-Funktion. Ein Projekt, das sich auf diesen grundlegenden Teil der Quantenbauelementeherstellung konzentriert, fehlte jedoch bisher.

 

Im Rahmen der externen Zusammenarbeit wird das IKZ seine interne Expertise für das Wachstum von hochreinem 28Si, für die Entwicklung eines epitaktischen Wachstumsprozesses von hochreinen, elastisch verspannten, versetzungsfreien SiGe/28Si/SiGe-Stapeln mittels Molekularstrahl-Epitaxietechnik (MBE) und für die Untersuchung der elektrischen, optischen und strukturellen Eigenschaften der gewachsenen Schichten einbringen. Das Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik (IHP) wird komplementäre Wachstums- und Charakterisierungstechniken entwickeln, während das Institut für Halbleitertechnik (IHT) und das Institut für Quanteninformation (IQI) der RWTH Aachen Quantenpunktbauelemente im Wafer-Maßstab auf Basis dieser Strukturen herstellen und charakterisieren werden.

 

"[....] Die Silizium-Quantenelektronik ist gegenwärtig einer der interessantesten wissenschaftlichen Wettbewerbe aber derzeit existiert kein anderes Projekt mit dem Umfang und der Tiefe, in dem spezifische (und anspruchsvolle) Aspekte der Materialherstellung und –charakterisierung untersucht werden. Die Umsetzung eines solchen Projekts ohne die bei IHP, IHT, IKZ und IQI bereits vorhandene Expertise und Infrastruktur wäre finanziell nicht zu rechtfertigen oder gar unmöglich. " – stellt einer der Gutachter fest.

 

Das SiGeQuant adressiert sowohl grundlegende wissenschaftliche als auch anwendungsrelevante Fragen, die die beteiligten deutschen Institute ermutigen sollen, neue Brücken zur internationalen Quanteninformationsgemeinschaft zu bauen.

 Schema

 

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