Sektion Experimentelle Charakterisierung

Sektion Experimentelle Charakterisierung

Mission

Die Sektion bietet ein umfassendes Spektrum an Methoden zur Charakterisierung der am Institut und bei wissenschaftlichen Partner hergestellten Materialien. Dies dient einerseits dem wissenschaftlicher Service, um Kristallzüchtern ein schnelles Feedback zur Verbesserung ihrer Materialien zu geben und der Grundlagenforschung auf dem Gebiet der Festkörperphysik und des Kristallwachstums. Unsere Methodenspektrum umfasst optische, elektrische und strukturelle Techniken. Sie decken alle Längenskalen von der makroskopischen bis zur atomaren Skala ab. Durch die Kombination dieser experimentellen Techniken wollen wir interdisziplinär dringende Fragen der Festkörperphysik beantworten und zuverlässige Materialparameter ermitteln.

Forschungstätigkeiten

Die Sektion befasst sich mit der Untersuchung grundlegender Materialeigenschaften. Dies sind elektrische optische und strukturelle Eigenschaften. Wir konzentrieren uns auf Halbleiter und Dielektrika. Die untersuchten Materialien sind III-Nitride, Oxide sowie klassische III-V- und Gruppe IV-Halbleiter. Dotierung, Atomare Defekte, epitaktische Heterostrukturen, Wachstums- und Relaxationsphänomene sowie optische Eigenschaften sind wichtige Themen. Die Sektion arbeitet eng mit Gruppen zusammen, die in der Festkörpertheorie arbeiten. Seit kurzem haben wir eine starke Aktivität in der Entwicklung von in-situ-Charakterisierungstechniken in der Transmissionselektronenmikroskopie und Röntgenbeugung.

Darüber hinaus betreibt die Sektion ein Labor für Elektronenmikroskopie (Joint Lab for Electron Microscopy Adlershof (JEMA))und ein Teststrukturlabor gemeinsam mit der Humboldt-Universität zu Berlin.

 

Themen

Nachwuchsgruppe: Moderne Synchrotronstrahlungsmethoden für Multiskalenuntersuchung von Kristallen

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.

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Dr. Carsten Richter

Tel. +49 30 6392 2859

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Elektronenmikroskopie

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.

Stefan Mohn, Natalia Stolyarchuk, Toni Markurt, Ronny Kirste, Marc P. Hoffmann, Ramón Collazo, Aimeric Courville Rosa Di Felice, Zlatko Sitar, Philippe Vennéguès, Martin Albrecht
Polarity control in group-III nitrides beyond pragmatism
Phys. Rev. Appl. 5, 054004 (2016)
DOI: 10.1103/PhysRevApplied.5.054004

Charlotte Wouters, Toni Markurt, Martin Albrecht, Enzo Rotunno, Vincenzo Grillo
Influence of  Bloch wave state excitations on quantitative HAADF STEM imaging
Physical Review B 100, 184106 (2019)
DOI: 10.1103/PhysRevB.100.184106

Robert Schewski, Konstantin Lion, Andreas Fiedler, Charlotte Wouters, Andreas Popp, Sergey V. Levchenko, Tobias Schulz, Martin Schmidbauer, Saud Bin Anooz, Raimund Grüneberg, Zbigniew Galazka, Günter Wagner, Klaus Irmscher, Matthias Scheffler, Claudia Draxl, Martin Albrecht
Step-flow growth in homoepitaxy of β-Ga2O3 (100)—The influence of the miscut direction and faceting
APL Mater. 7, 022515 (2019)
https://doi.org/10.1063/1.5054943

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Dr. Martin Albrecht

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Röntgenbeugung

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.

Martin Schmidbauer, Albert Kwasniewski, Jutta Schwarzkopf
High-Precision Absolute Lattice Parameter Determination of SrTiO3, DyScO3 and NdGaO3 Single Crystals
Acta Cryst. B 68, 8-14 (2012)
DOI: 10.1107/S0108768111046738

Martin Schmidbauer, Dorothee Braun, Toni Markurt, Michael Hanke, Jutta Schwarzkopf
Strain Engineering of Monoclinic Domains in K0.9Na0.1NbO3 Epitaxial Layers: A Pathway to Enhanced Piezoelectric Properties
Nanotechnology 28, 24LT02 (2017)
DOI: 10.1088/1361-6528/aa715a

Laura Bogula, Leonard von Helden, Carsten Richter, Michael Hanke, Jutta Schwarzkopf, Martin Schmidbauer
Ferroelectric Phase Transitions in Multi-Domain K0.9Na0.1NbO3 Strained Thin Films
Nano Futures 4, 035005 (2020)
DOI: 10.1088/2399-1984/ab9f18

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Dr. Martin Schmidbauer

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Transport und elektrische Eigenschaften

Die gezielte Einstellung der elektrischen Leitfähigkeit von Halbleiterkristallen ist wesentlich für die Bauelementetechnologie der modernen Elektronik. Zur Beurteilung der elektrischen Eigenschaften der am IKZ gezüchteten Halbleiter verwenden wir Stromtransport- und kapazitive Messungen, um z.B. Ladungsträgerkonzentration und -beweglichkeit, Konzentrationen von Dotierstoffen und kompensierenden Fremdatomen oder Defekten im Zusammenhang mit den Wachstums- und Dotierungsbedingungen zu bestimmen.

Leitfähigkeits- und Hall-Effekt-Messungen (20-1100 K), Deep-Level-Transient-Spektroskopie (20-800 K) und photothermische Ionisationsspektroskopie sowie die Kontaktpräparation werden kontinuierlich angepasst und erweitert, um den unterschiedlichen Anforderungen der verschiedenen Halbleiterkristalle gerecht zu werden, z.B. zusätzliche Photoanregung. Unser gegenwärtiger Schwerpunkt liegt auf halbleitenden Oxiden mit Potential für die Leistungselektronik und das resistive Schalten.

Andreas Fiedler, Robert Schewski, Michele Baldini, Zbigniew Galazka, Günter Wagner, Martin Albrecht, Klaus Irmscher
Influence of incoherent twin boundaries on the electrical properties of β-Ga2O3 layers homoepitaxially grown by metal-organic vapor phase epitaxy
J. Appl. Phys. 122, 165701 (2017)
DOI: 10.1063/1.4993748

Klaus Irmscher, Zbigniew Galazka, Mike Pietsch, Reinhard Uecker, Roberto Fornari
Electrical properties of β-Ga2O3 single crystals grown by the Czochralski method
J. Appl. Phys. 110, 063720 (2011)
DOI: 10.1063/1.3642962

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Dr. Klaus Irmscher

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Optische Spektroskopie

Die optische Spektroskopie ist unverzichtbar bei der Untersuchung elektronischer und phononischer Festkörpereigenschaften. Wir analysieren Spektren von absorbiertem, emittiertem oder gestreutem Licht, um Bandlücken und Phononenmoden neuartiger, am IKZ gezüchteter Kristalle zu bestimmen. Zusätzliche Strukturen in den Spektren gestörter Kristalle enthalten Informationen über die Natur der Defekte, die wir zu ihrer Identifizierung und zur Untersuchung ihrer wachstumsbedingten Bildung nutzen.

Transmissions-/Reflexionsspektrometer im Wellenlängenbereich von 120 nm bis 100 µm und ein Mikro-Raman-Spektrometer mit 6 Anregungswellenlängen (325 - 785 nm) stehen für die Untersuchung unserer Volumenkristalle und Epitaxieschichten bei Temperaturen von 4 bis 1600 K zur Verfügung. Intrinsische und extrinsische Eigenschaften neuartiger halbleitender Oxide stehen derzeit im Fokus. Eigene methodische Entwicklungen schließen bildgebende Verfahren ein, z. B. die Laser-Streulichttomographie.

Ivan Gamov, Eberhard Richter, Markus Weyers, Günther Gärtner, Klaus Irmscher
Carbon doping of GaN: Proof of the formation of electrically active tri-carbon defects
J. Appl. Phys. 127, 205701 (2020)
DOI: 10.1063/5.0010844

Klaus Irmscher, Martin Naumann, Mike Pietsch, Zbigniew Galazka, Reinhard Uecker, Tobias Schulz, Robert Schewski, Martin Albrecht, Roberto Fornari
On the nature and temperature dependence of the fundamental band gap of In2O3
Phys. Status Solidi Appl. Mater. Sci. 211, 54–58 (2014)
DOI: 10.1002/pssa.201330184

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Dr. Klaus Irmscher

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