Joint Labs & Support Labs

Labore

Deutsch-Chinesisches Joint Lab (Dielektrika)

Das Deutsch-Chinesische Joint Lab zwischen der "School of Electronic Science and Engineering" an der Xi’an Jiatong Universität und dem Leibniz-Institut für Kristallzüchtung (IKZ)  wurde während des internationalen Workshops „Oxide & Graphene“, der am 14. und 15. Januar 2020 stattfand, gegründet. Unsere Mission ist es, mit Blick auf die langfristige Perspektive der Erforschung von Grundlagen und Anwendungen von Dielektrika und 2D-Materialien, sowie der Ausbildung in diesem technologisch wichtigem Bereich, Kräfte zu bündeln.

 

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

Kontakt IKZ

Dr. Jutta Schwarzkopf

Tel. +49 30 6392 3053

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Kontakt Xi´an Jiaotong University

Prof. Gang Niu

Tel. +86 29 8266 5670 8024

E-Mail

Joint Lab for Electron Microscopy Adlershof (JEMA)

Das gemeinsame Labor für Elektronenmikroskopie ist eine Einrichtung des Leibniz-Instituts für Kristallzüchtung und der Humboldt-Universität zu Berlin. Es verbindet die hervorragende Ausstattung und die komplementäre wissenschaftliche Expertise beider Institutionen, um modernste Methoden der Elektronenmikroskopie zu entwickeln und für beide Institutionen und deren Partner verfügbar zu machen mit dem Ziel Struktur-Eigenschafts-Beziehungen in kristallinen Materialien zu untersuchen.

 

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.

Kontakt

Dr. Martin Albrecht

Tel. +49 30 6392 3094

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IKZ-DESY Joint Lab

Das Joint Lab zwischen dem Leibniz-Institut für Kristallzüchtung (IKZ) und dem Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) bündelt und koordiniert die Aktivitäten des IKZ auf dem Science-Campus Hamburg Bahrenfeld. Angesiedelt im Center for X-Ray Nanoscience (CXNS) ist es integraler Bestandteil der Kooperation zwischen den beiden Institutionen. Das Joint Lab unterstützt die In-House Forschung am IKZ durch den Zugang zu modernen Synchrotronmethoden. Darüber hinaus werden hier gemeinsam kristalline Materialien des IKZ und neue Methoden für die Forschung an Synchrotrons zur Verbesserung existierender und zukünftiger Strahlungsquellen entwickelt. Ein wichtiges Beispiel sind passive und aktive Röntgenoptiken. Als drittes Standbein treibt das Joint Lab gemeinsam mit dem DESY Innovation Office den Transfer IKZ-eigener Forschungsergebnisse in die Praxis, z.B. durch die Gründung von StartUps voran.

 

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.

Kontakt IKZ

Dr. Peter Gaal

Tel. +49 30 6392 2858

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Kontakt DESY NanoLab

Prof. Dr. Andreas Stierle

Tel. +49 40 8998 2005

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IKZ-Cornell Joint Lab for Unleashing Hidden Properties to Empower Oxide Electronics

Das deutsch-amerikanische Joint Lab zwischen der Cornell University und dem Leibniz-Institut für Kristallzüchtung (IKZ) wurde 2020 mit der Ernennung von Prof. Darrell G. Schlom zum Leibniz Chair am IKZ ins Leben gerufen. Dem ist eine über zwei Jahrzehnte andauernde ergebnisreiche Zusammenarbeit der AG Oxide & Fluoride mit D.G. Schlom und seiner Forschungsgruppe vorausgegangen. Unsere gemeinsame Zielsetzung ist die aufeinander abgestimmte Forschung zur Entwicklung von großflächigen einkristallinen Oxidsubstraten, die die Entwicklung von Materialien mit außergewöhnlichen Eigenschaften für die nächste Generation von oxidbasierten elektronischen Bauelementen ermöglicht.

 

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)

Kontakt IKZ

Dr. Christo Guguschev

Tel. +49 30 6392 3124

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Kontakt Cornell University

Prof. Darrell G. Schlom

Tel. +1 607 255 6504

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Support Lab: EFRE (Europäische Fonds für Regionale Entwicklung) Applikationslabor „Materialien für die Oxidelektronik“

Mit dem EFRE-Applikationslabor wird seit März 2017 die Zielstellung verfolgt, oxidische Funktionsschichten mit hoher struktureller Perfektion für anwendungsrelevante Bauelementteststrukturen zu entwickeln, wie z.B. halbleitende Gallium-Oxid-Schichten (Ga2O3) für vertikale Leistungs-Bauelemente, resistiv schaltbare Strontium-Titanat-Schichten (SrTiO3) für ReRAMs und piezoelektrische Kalium-Natrium-Niobat-Schichten ((K,Na)NbO3) für akustische Oberflächenwellen-Sensoren.

 

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.

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Dr. Jutta Schwarzkopf

Tel. +49 30 6392 3053

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Support Lab: Chemische Metrologie

Eine wichtige Voraussetzung für die sichere Beurteilung von Versuchsergebnissen bei der Kristallzüchtung ist die regelmäßige Messung der chemischen Zusammensetzungen von Verunreinigungskonzentrationen in Ausgangsstoffen und Kristallen.

 

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.

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Dr. Thomas Straubinger

Tel. +49 30 6392 3123

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Support Lab: Kristallbearbeitung

Am IKZ werden Kristalle (Si, Ge, GaAs, InP, Oxide, Fluoride, AlN) mit sehr unterschiedlichen, insbesondere mechanischen, Eigenschaften hergestellt und müssen als Vorbereitung für unterschiedliche Charakterisierungsverfahren zu maßgeschneiderten Proben verarbeitet werden.

 

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.

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Dr. Thomas Straubinger

Tel. +49 30 6392 3123

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Support Lab: Teststrukturlabor

Um die Lücke zwischen Kristallcharakterisierung und Prototypenentwicklung von Bauelementen zu schließen, konzentrieren wir uns auf die Herstellung von Teststrukturen für elektrische Messungen an dünnen Schichten und 2D-Kristallen. Wir verwenden Elektronenstrahllithographie und direktes Laserschreiben, um mikroskopische Strukturen zu realisieren. Das Teststrukturlabor wird in enger Zusammenarbeit mit Prof. T. Masselink und Prof. S. Fischer, Physikalisches Institut, Humboldt Universität, Berlin, betrieben.

 

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

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Dr. Jens Martin

Tel. +49 30 6392 2857

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