Schmelz- und Lösungszüchtung von Oxiden und Fluoriden für optische, piezoelektrische und Laser-Kristalle sowie als Substrate für neuartige elektronische Bauelemente.
Züchtung und Charakterisierung von Halbleiter-Volumeneinkristallen aus der Gasphase. Die Kristalle finden Verwendung als Substratmaterial in der Halbleitertechnik.
Züchtungstechnologien, Charakterisierungmethoden und Korrelation zwischen Herstellung und Eigenschaften von Volumen-Einkristallen allgemein.
Ziel der Abteilung ist es, Kristalle mit maßgeschneiderten Eigenschaften und hoher Ausbeute für den Einsatz als Substrate oder Komponenten in energieeffizienten elektronischen, optoelektronischen, optischen und piezo-/ferroelektrischen Anwendungen bereitzustellen. Wir arbeiten nicht nur an Reinheit und struktureller Qualität der Kristalle, sondern auch an Reproduzierbarkeit und Ausbeute und schaffen so die Voraussetzungen für eine industrielle Anwendung. Und wir bieten maßgeschneiderte Kristalle als Service für die Materialforschung an.
Forschungsprogramm
Unser Portfolio umfasst Elementar- (Si, Ge) und Verbindungshalbleiter, (GaAs, InP), neuartige Oxidhalbleiter (z.B. β-Ga2O3), Substrate für ferroelektrische Filme sowie optische, Laser- (einschließlich Fluoride) und piezoelektrische Massivkristalle. Wir stellen die Kristalle zumeist aus der Schmelze bei hohen Temperaturen her und nutzen Czochralski-, Floating Zone-, Bridgman/VGF- und EFG-Verfahren. Zur Optimierung des Wachstumsprozesses werden maßgeschneiderte Materialien, Wachstumsbedingungen und numerische Modellierung eingesetzt.
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.
Forschungsprogramm
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. Wir haben Erfahrung in der Kristallzüchtung verschiedener Verbindungen und stellen Kristalle von höchster Qualität und Reinheit her. Mit Hilfe der thermochemischen Analyse entwickeln wir maßgeschneiderte Wachstumstechniken, um das Kristallwachstum neuartiger Verbindungen zu ermöglichen.
Forschungsthemen in meiner Sektion
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.
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.
Schwerpunkt ist die Entwicklung von neuen Volumenkristallen mit definierten Gitterparametern v.a. mit Perowskit-, Pyrochlor- oder Magnetoplumbitstruktur. 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.
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 thermochemischer Analyse finden wir heraus, wie ein bestimmtes Material am besten als Einkristall mit den gewünschten Eigenschaften gezüchtet werden kann. Typische Probleme wie inkongruentes Schmelzen, Materialzersetzung oder instabile Metalloxidationszustände können durch die Kenntnis geeigneter Phasendiagramme entschärft werden. Wir optimieren die Zusammensetzung der Ausgangsmaterialien für die jeweiligen Wachstumsmethoden und die Wachstumsatmosphäre. Mit unserer Expertise unterstützen wir auch die anderen IKZ-Aktivitäten hinsichtlich ihrer Prozesstechnologien.
Aluminiumnitrid (AlN) Kristalle werden über physikalischen Gasphasentransport (PVT) in Tiegeln aus TaC oder W gezüchtet und müssen unabhängig von der geplanten Anwendung niedrige Versetzungsdichten und relevante Durchmesser (1“) aufweisen. Voraussetzung für die Herstellung von AlN-Kristallen mit hoher kristalliner Qualität sind neben der Verfügbarkeit von defektarmen Keimen die Vermeidung von Verunreinigungsausscheidungen beim Aufheizen und ein optimales T-Feld Design (z. B. hohes T).
Ich habe bis 2019 das Thema Aluminiumnitrid am IKZ betreut. Seitdem wird es in der Abteilung "Anwendungswissenschaften" von Dr. Thomas Straubinger geleitet.
Das Zentrum für Lasermaterialien (ZLM) forscht an kristallinen Materialien für optische Anwendungen. Dazu greifen wir auf modern ausgestattete eigene Laser- und Spektroskopielabore wie auch die interdisziplinäre Forschungsinfrastruktur am IKZ zurück. In enger Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe „Oxide & Fluoride“ in der Abteilung „Volumenkristalle“ sieht sich das ZLM als One-Stop-Agentur zum Thema optische Kristalle für Laseranwendungen, optische Isolatoren und nichtlineare Frequenzkonversion.
Das Zentrum für Lasermaterialien wird von PD Dr. Christian Kränkel geleitet.
Die gemeinsame Zielsetzung des "IKZ-Cornell Joint Lab for Unleashing Hidden Properties to Empower Oxide Electronics" mit Prof. Darrell G. Schlom 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.
Das IKZ-Cornell Joint Lab wird von Dr. Christo Guguschev geleitet.
Das IKZ ist ein starker Partner im Leibniz ScienceCampus "Growth and Fundamentals of Oxides for Electronic Applications" (GraFOx). Der Science Campus widmet sich zentral der Grundlagenforschung für künftige Anwendungen in der Oxidelektronik mit den Schwerpunkten "Galliumoxid", "Strontiumtitanat" und "Oxide mit hoher Elektronenmobilität" (BaSnO3 u.a.). Das IKZ deckt hier jeweils die Volumenkristallzüchtung, Epitaxie und die Materialcharakterisierung ab.
Die DFG-Forschungsgruppe "Periodische niedrigdimensionale Defektstrukturen in polaren Oxiden" untersucht polare oxidische Lithiumniobat-Lithiumtantalat-Mischkristalle. Aufgrund deren Mischbarkeit im gesamten Kompositionsbereich sowie der einstellbaren Größe ferroelektrischer Domänen stellen sie ein äußerst variables Modellsystem zur Aufdeckung und Anwendung neuer grundlegender materialwissenschaftlich-physikalischer Phänomene dar. Der Einfluss von Punktdefekten und Domänenwänden auf die makroskopischen Materialeigenschaften, deren Zusammenspiel sowie die hohe thermische Stabilität bieten neue weitreichende Anwendungsperspektiven in der Sensorik, aber auch in der integrierten Akustik und Photonik. Schwerpunkt des IKZ-Beitrags sind Untersuchungen zur Züchtung von Li(Nb,Ta)O3-Einkristallen aus der Schmelze.
Das IKZ-Teilprojekt wird von Dr. Steffen Ganschow geleitet.
Das Leibniz-Institut für Kristallzüchtung (IKZ) Berlin ist eine der führenden Einrichtungen auf dem Gebiet des Wachstums und der Züchtung von kristallinen Festkörpern. Diese spielen u.a. in der Photovoltaik, der Mikro-, Opto- und Leistungselektronik, der Sensorik, Optik und Lasertechnik eine grundlegende Rolle. Die Forschungsthemen reichen dabei von der Grundlagenforschung bis hin zu industriell einsetzbaren Züchtungsverfahren.
Die Mitarbeiter am IKZ (Wissenschaftler, Techniker, Nachwuchs- und Verwaltungskräfte) stehen für den Erfolg des Institutes. Langjährige Erfahrung und Expertenwissen sind unsere Stärke. Mit der Ausbildung und Einarbeitung neuer Mitglieder im Team schaffen wir die Grundlage für zukünftige Erfolge. Das IKZ setzt sich für die Vereinbarkeit von Beruf und Familie und die Gleichstellung ein und ist entsprechend zertifiziert.
