Die moderne Gesellschaft stützt sich auf eine Vielzahl elektrischer und elektronischer Systeme. Dafür muss elektrische Energie möglichst effizient umgewandelt werden. Das Materialsystem β-Ga₂O₃ hat aufgrund seines hohen Bandabstandes von ca. 4.8 eV und der daraus theoretisch resultierenden hohen Durchbruchfeldstärke die besten Voraussetzungen im Hochleistungssektor das Material der nächsten Generation zu werden. Unsere Mission ist es daher, durch Prozessentwicklung die vorausgesagten Materialeigenschaften zu erreichen um β-Ga₂O₃ den Weg in die Leistungselektronik zu ebnen.

Für die β-Ga₂O₃ MOVPE Prozessentwicklung liegt der Schwerpunkt auf der Untersuchung der Auswirkungen der Wachstumsparameter und der Art der Dotierung auf die elektrischen Eigenschaften der Schichten. Ein weiterer Schwerpunkt ist das homoepitaktische Wachstum auf unterschiedlich orientierten Substraten und dessen Einflusses auf die Erzeugung von Kristalldefekten. Hinzu kommen Untersuchungen zur Erhöhung der Wachstumsrate in Korrelation zur Schichtqualität. Zukünftig sind auch Legierungen des Materials mit Aluminium geplant um die positiven Eigenschaften von β-Ga₂O₃ sogar noch weiter zu verbessern.

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Funktionelle Oxidschichten mit Perowskitstruktur weisen abhängig von ihrer chemischen Zusammensetzung und Struktur eine Vielzahl von funktionellen Eigenschaften auf. Im Gegensatz zu Volumenkristallen gibt es in epitaktischen Schichten zusätzliche Freiheitsgrade um die Materialeigenschaften gezielt zu verändern und neue Technologien zu entwickeln. Dazu gehören der Einbau einer Gitterverspannung (Strain Engineering durch Heteroepitaxie) oder das gezielte Einbringen von Defekten (Defect Engineering). Unsere Mission ist es erfolgversprechende Materialien mit Perowskitstruktur, wie das bleifreie, ferro-/piezoelektrische Material Kalium-Natrium-Niobat ((K,Na)NbO₃) oder das dielektrische Strontium-Titanat (SrTiO₃), in Dünnschichtform für potentielle Anwendungen, z.B. hochsensitive Sensoren oder neuromorphes Computing, zur Verfügung zu stellen.

In enger Zusammenarbeit mit den Sektionen „Oxide & Fluoride“ und „Experimentelle Charakterisierung“ wachsen wir als weltweit einzige Gruppe (K,Na)NbO₃ und SrTiO₃ basierte Schichten mit der Methode der metall-organischen Gasphasenepitaxie (MOVPE). Durch den Einbau einer Gitterverspannung oder einer off-Stöchiometrie werden Materialeigenschaften (wie piezoelektrische Konstanten, Phasenübergangstemperatur, dielektrische Permittivität) gezielt modifiziert. Insbesondere die Filmcharakterisierung mittels Rastersondenmikroskopie-Techniken, wie Piezokraftmikroskopie (PFM) und Leitfähigkeits-Rasterkraftmikroskopie (CAFM), gibt Einblicke in die ferroelektrische Domänenbildung und elektrische Eigenschaften auf der Nanometerskala.

Alternativ zum Strain Engineering durch heteroepitaktisches Filmwachstum auf gitterfehlangepassten Substraten können lokale Gitterverspannungen und Verspannungsgradienten auf der Nanometerskala durch die Bildung künstlicher „Verdrehungsgrenzen“ in dünnen Oxidfilmen erzeugt werden. Dies wird durch den Transfer eines freistehenden ultradünnen Oxidfilms auf einem Einkristallsubstrat oder einer anderen epitaktischen Oxidschicht mit einem kontrollierten Verdrehungswinkel erreicht. Unser Ziel ist es, die Auswirkungen des so erzeugten Versetzungsnetzwerks auf die dielektrischen und ferroelektrischen Eigenschaften dünner komplexer Oxide zu erforschen.

Um freistehende nanometerdünne Oxidschichten zu erzeugen wird das Konzept der Opferschicht (Sacrificial Layer), hergestellt mit Hilfe der gepulsten Laserdepositionstechnik (PLD), und dem Überwachsen der funktionellen Oxidschicht durch PLD oder MOVPE angewandt. Der Schichttransfer erfolgt mit unserer neu entwickelten Layer-Transferstation, die unter Hochvakuumbedingungen arbeitet (siehe Abschnitt "Nanostrukturen"). Wir wenden Rastersondenverfahren an um grundlegende Erkenntnisse über die Domänenbildung nach dem anschließenden Bonden auf einem neuen Substrat oder nach dem Anlegen einer externen Spannung zu gewinnen.