Sektion Oxide & Fluoride

Sektion Oxide & Fluoride

Mission

Die Sektion ist auf die Herstellung von Oxid- und Fluorideinkristallen spezialisiert. Diese werden als Substrate für ferroelektrische und oxidische elektronische Anwendungen sowie als optische, piezoelektrische oder Laserkomponenten verwendet. Unsere Kristalle dienen auch als Referenzproben für Materialien mit höchster struktureller Perfektion und Reinheit. Durch Kooperationen und Dienstleistungen für Unternehmen und Forschungseinrichtungen stellen wir die Materialbasis für viele Forschungsprojekte innerhalb und außerhalb des IKZ zur Verfügung.

Forschungsaktivitäten

In der Sektion entwickeln wir Substrate aus Oxidhalbleitern wie z.B. β-Ga2O3 sowie Oxidkristalle mit Perowskitstruktur z.B. für verspannte ferroelektrische Schichten oder dünne Filme mit neuen Funktionalitäten. Wir erforschen Oxid- und Fluoridkristalle für optische Anwendungen und Laser. Mit Hilfe der thermochemischen Analyse entwickeln wir maßgeschneiderte Wachstumstechniken, um das Kristallwachstum neuartiger Verbindungen zu ermöglichen.

 

Themen

Nachwuchs-Forschungsgruppe "Fluoridkristalle für Photonik-Anwendungen"

Fluorid-Einkristalle sind Schlüsselkomponenten für eine Vielzahl von Photonik-Anwendungen, z.B. Lasermaterialien, optische Isolatoren sowie nichtlineare Frequenzwandler und optische Fenster im tiefen UV-Bereich. Optische Isolatoren aus Fluoriden können bei höheren Leistungen betrieben werden als Oxide. Sie sind auch ideal geeignet für die Festkörper-Laserkühlung (optische Kühlung), dabei werden feste Materialien durch Laseranregung unter Raumtemperatur abgekühlt.

Die Nachwuchsgruppe arbeitet insbesondere an der Schmelzzüchtung von hochwertigen mit Seltenerd-Ionen dotierten Fluorid-Einkristallen für die Laserkühlung. Dazu müssen die Bildung von Fremdphasen und Farbzentren verringert sowie die Sauerstoffkontamination und interne Spannungen minimiert werden. Durch eine Fluorierung der Ausgangsstoffe werden Kristalle höchster Reinheit hergestellt. Die anwendungsrelevanten Eigenschaften der gezüchteten Kristalle werden in Zusammenarbeit mit dem IKZ Zentrum für Lasermaterialien demonstriert.

Kontakt

Dr. Hiroki Tanaka

Tel. +49 30 6392 2821

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Einkristalle aus Oxid-Halbleitern

Wir stellen transparente leitende oder halbleitende Oxid-Einkristalle her. Das Thema ist vor allem durch unsere Pionierarbeit zu 2" β-Ga2O3-Einkristallen (mittels Czochralski-Verfahren) und anderen binären Oxiden (In2O3, SnO2) bekannt. In den letzten Jahren haben wir Gallium-basierte Spinelle (MgGa2O4, ZnGa2O4), Bariumstannat (BaSnO3) und Lanthanindat (LaInO3) entwickelt. Substrate und dünne Filme aus diesen Kristallen ermöglichen neue Bauelementstrukturen z.B. in der Leistungs- und Optoelektronik, für Sensoren und ferrimagnetische Dünnschichten und als Szintillatormaterial.

Die Züchtung dieser Kristalle wird durch die Tendenz zur Zersetzung bei Temperaturen nahe dem Schmelzpunkt erschwert. Daher verwenden wir spezielle Züchtungsmethoden, setzen dynamische Gasatmosphären ein und erhöhen die Wachstumsstabilität, um große Kristallvolumina zu erhalten. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf der Kontrolle und Charakterisierung der elektrischen und optischen Eigenschaften in Abhängigkeit von Wachstums-, Dotierungs- und Temperbedingungen.

Zbigniew Galazka
Transparent Semiconducting Oxides - Bulk Crystal Growth and Fundamental Properties
ISBN 9789814800945; Jenny Stanford Publishing, 2020
https://www.jennystanford.com/9789814800945/transparent-semiconducting-oxides/

Zbigniew Galazka
Czochralski method
in: “Gallium Oxide, Material Properties, Crystal Growth, and Devices", Eds. M. Higashiwaki and S. Fujita
ISBN 9783030371531; Springer Nature Switzerland AG, 2020
DOI: 10.1007/978-3-030-37153-1_2

Zbigniew Galazka, Klaus Irmscher, Robert Schewski, Isabelle M. Hanke, Mike Pietsch, Steffen Ganschow, Detlef Klimm, Andrea Dittmar, Andreas Fiedler, Thomas Schroeder, Matthias Bickermann
Czochralski-Grown Bulk β-Ga2O3 Single Crystals Doped with Mono-, Di-, Tri-, and Tetravalent Ions
J. Cryst. Growth 529 (2020) 125297
DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2019.125297

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Dr. Zbigniew Galazka

Tel. +49 30 6392 3020

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Substratkristalle für funktionelle Oxide

Ziel ist die Entwicklung neuer Perowskit- und Pyrochlor-Volumenkristalle mit definierten Gitterparametern. In Form von präparierten Substraten sind sie essentielle Voraussetzung für neue, epitaktisch gewachsene Oxidschichten mit interessanten ferroelektrischen, supraleitenden, ferromagnetischen, piezoelektrischen, multiferroischen oder elektronischen Eigenschaften. Einige der Kristalle sind auch für optische Anwendungen attraktiv. Die meisten Verbindungen werden ausschließlich am IKZ für unsere Industrie- und Kooperationspartner gezüchtet.

Die Wachstumstemperatur liegt zumeist im Bereich zwischen 1500°C und 3000°C. Abhängig von den Materialeigenschaften bei den hohen Temperaturen und den Anforderungen an Strukturqualität und Reinheit werden die Kristalle mit tiegelbasierten oder tiegelfreien Methoden aus der Schmelze oder aus der Schmelzlösung gezüchtet. Herausforderungen sind unzureichender Wärmetransport, innere Spannungen in den Kristallen und Tiegelstabilität. Die Kristalle werden hinsichtlich ihrer strukturellen Qualität und chemischen Zusammensetzung untersucht.

Christo Guguschev, Julia Hidde, Thorsten M. Gesing, Mathias Gogolin, Detlef Klimm
Czochralski growth and characterization of TbxGd1xScO3 and TbxDy1−xScO3 solid-solution single crystals
CrystEngComm
DOI: 10.1039/C8CE00335A

Christo Guguschev, Zbigniew Galazka, Dirk J. Kok, Uta Juda, Albert Kwasniewski, Reinhard Uecker
Growth of SrTiO3 bulk single crystals using edge-defined film-fed growth and the Czochralski methods
CrystEngComm
DOI: 10.1039/C5CE00798D

Christo Guguschev, Detlef Klimm, Mario Brützam, Thorsten M. Gesing, Mathias Gogolin, Hanjong Paik, Andrea Dittmar, Vincent J. Fratello, Darrell G. Schlom
Single crystal growth and characterization of Ba2ScNbO6 – A novel substrate for BaSnO3 films
Journal of Crystal Growth
DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2019.125263

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Dr. Christo Guguschev

Tel. +49 30 6392 3124

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Referenzkristalle und Auftragszüchtung

Einzelne Einkristalle werden als Referenzmaterialien in verschiedenen Bereichen der Wissenschaft, z.B. Geologie, Materialwissenschaft, Festkörperchemie und Physik, benötigt. Forschungseinrichtungen, Unternehmen und Technologieunternehmen verwenden sie zur detaillierten Untersuchung, zur Demonstration des Anwendungspotenzials oder um daraus eine Produktion zu entwickeln. Wir können alle Materialien herstellen, die in unseren Kompetenzbereich fallen und die nicht kommerziell verfügbar sind.

Mit Hilfe der thermochemischen Analyse bestimmen wir, wie ein bestimmtes Material am besten als Einkristall mit den gewünschten Eigenschaften gezüchtet werden kann. Unsere Kernkompetenz ist die Kristallzüchtung aus der Schmelze bei hohen Temperaturen, aber wir können wir eine Vielzahl von Züchtungsmethoden anwenden. Bei der Charakterisierung der Kristalle hilft uns die hauseigene Abteilung. Je nach Ziel und Aufwand arbeiten wir im Rahmen einer Forschungszusammenarbeit, einer gemeinsamen Entwicklung oder auf Vollkostenbasis.

Eric Langenberg, Dipanjan Saha, Megan E. Holtz, Jian-Jun Wang, David Bugallo, Elias Ferreiro-Vila, Hanjong Paik, Isabelle Hanke, Steffen Ganschow, David A. Muller, Long-Qing Chen, Gustau Catalan, Neus Domingo, Jonathan Malen, Darrell G. Schlom, Francisco Rivadulla
Ferroelectric domain walls in PbTiO3 are effective regulators of heat flow at room temperature
Nano Letters 19, 7901-7907 (2019)
DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b02991

Florian Flatscher, Martin Philipp, Steffen Ganschow, Martin R. Wilkening, Daniel Rettenwander
The natural critical current density limit for Li7La3Zr2O12 garnets
Journal of Materials Chemistry A 8, 15782-15788 (2020)
DOI: 10.1039/c9ta14177d

E. Bertoldo, A. H. Abdelhameed, G. Angloher, P. Bauer, A. Bento, R. Breier, C. Bucci, L. Canonica, A. D'Addabbo, S. Di Lorenzo, A. Erb, F. V. Feilitzsch, N. Ferreiro Iachellini, S. Fichtinger, D. Fuchs, A. Fuss, P. Gorla, D. Hauff, M. Ješkovský, J. Jochum, J. Kaizer, A. Kinast, H. Kluck, H. Kraus, A. Langenkämper, M. Mancuso, V. Mokina, E. Mondragon, M. Olmi, T. Ortmann, C. Pagliarone, V. Palušová, L. Pattavina, F. Petricca, W. Potzel, P. Povinec, F. Pröbst, F. Reindl, J. Rothe, K. Schäffner, J. Schieck, V. Schipperges, D. Schmiedmayer, S. Schönert, C. Schwertner, M. Stahlberg, L. Stodolsky, C. Strandhagen, R. Strauss, I. Usherov, M. Willers, V. Zema, J. Zeman, M. Brützam, S. Ganschow
Lithium-containing crystals for light dark matter search experiments
Journal of Low Temperature Physics 199, 510-518 (2019)
DOI: 10.1007/s10909-019-02287-3

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Dr. Steffen Ganschow

Tel. +49 30 6392 3024

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