DEPARTMENT OF MATERIAL PHYSICS

Anionic amidinate ligands of the type [RC(NR')₂]^- have become indispensable tools in the coordination chemistry of virtually every metallic element in the Periodic Table. They enable the synthesis of new homogeneous catalysts as well as the design of volatile orecusors for ALD and CVD processes in materials science (e.g. phase-change and semiconductor materials). The main goal of the current research project is the investigation of alkynylamidinate ligands in the coordination chemistry of transition metals.

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Major goal of this project is the synthesis and full characterization (IR, Raman, NMR, elemental analysis, X-ray structure determination) of polysulfide anions and their metal complexes.

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Die binären Metalloxide und ihre Legierungen (In,Ga,Al)₂O₃ gehören zu den Materialien mit größter Einstellbarkeit der physikalischen Eigenschaften. Sie umfassen Isolatoren, Halbleiter und Leiter, sie finden Anwendung in magnetischen und ferroelektrischen Schichten und erlauben somit die Entwicklung einer neuen Generation von elektronischen Bauelementen. Die Herstellung von Oxidstrukturen mit höchster Materialqualität und das Verständnis der fundamentalen physikalischen Eigenschaften sind von grundlegender Bedeutung für die Entwicklung anwendungsorientierter Technologien. Dies ist Gegenstand des Leibniz ScienceCampus Growth and fundamentals of oxides for electronic applications - GraFOx . Der Fokus der Arbeiten in der Abteilung Materialphysik liegt auf der Bestimmung der dielektrischen Funktion vom mittleren infraroten bis in den vakuum-ultravioletten Spektralbereich (auch unter Anwendung von Synchrotronstrahlung), der Ermittlung fundamentaler Bandstruktureigenschaften und der Analyse von Vielteilcheneffekten in hochdotierten transparent-leitfähigen Oxiden (TCOs).

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Die binären Metalloxide und ihre Legierungen (In,Ga,Al)₂O₃ gehören zu den Materialien mit größter Einstellbarkeit der physikalischen Eigenschaften. Sie umfassen Isolatoren, Halbleiter und Leiter, sie finden Anwendung in magnetischen und ferroelektrischen Schichten und erlauben somit die Entwicklung einer neuen Generation von elektronischen Bauelementen. Die Herstellung von Oxidstrukturen mit höchster Materialqualität und das Verständnis der fundamentalen physikalischen Eigenschaften sind von grundlegender Bedeutung für die Entwicklung anwendungsorientierter Technologien. Dies ist Gegenstand des Leibniz ScienceCampus Growth and fundamentals of oxides for electronic applications - GraFOx . Der Fokus der Arbeiten in der Abteilung Materialphysik liegt auf der Bestimmung der dielektrischen Funktion vom mittleren infraroten bis in den vakuum-ultravioletten Spektralbereich (auch unter Anwendung von Synchrotronstrahlung), der Ermittlung fundamentaler Bandstruktureigenschaften und der Analyse von Vielteilcheneffekten in hochdotierten transparent-leitfähigen Oxiden (TCOs).

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Die binären Metalloxide und ihre Legierungen (In,Ga,Al)₂O₃ gehören zu den Materialien mit größter Einstellbarkeit der physikalischen Eigenschaften. Sie umfassen Isolatoren, Halbleiter und Leiter, sie finden Anwendung in magnetischen und ferroelektrischen Schichten und erlauben somit die Entwicklung einer neuen Generation von elektronischen Bauelementen. Die Herstellung von Oxidstrukturen mit höchster Materialqualität und das Verständnis der fundamentalen physikalischen Eigenschaften sind von grundlegender Bedeutung für die Entwicklung anwendungsorientierter Technologien. Dies ist Gegenstand des Leibniz ScienceCampus Growth and fundamentals of oxides for electronic applications - GraFOx . Der Fokus der Arbeiten in der Abteilung Materialphysik liegt auf der Bestimmung der dielektrischen Funktion vom mittleren infraroten bis in den vakuum-ultravioletten Spektralbereich (auch unter Anwendung von Synchrotronstrahlung), der Ermittlung fundamentaler Bandstruktureigenschaften und der Analyse von Vielteilcheneffekten in hochdotierten transparent-leitfähigen Oxiden (TCOs).

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Als leitfähige transparente Kontaktmaterialen kommen verschiedene Metalloxid-Verbindungen in Frage, einige davon werden auch bereits technologisch genutzt. In diesem Projekt werden die grundlegenden Bandstruktureigenschaften vor allem für die Halbleiter In2O3, SnO2 und Ga2O3 untersucht, die erst seit kurzem auch in kristalliner Qualität zur Verfügung stehen. Dabei werden sowohl Einkristalle, als auch epitaktische dünne Filme untersucht, wobei die Proben Leitfähigkeiten von semi-isolierend bis metallisch aufweisen. Beispielhafte Ergebnisse der Untersuchungen beinhalten zum Beispiel die Bestimmung der Komponenten des Dielektrizitätstensors vom infraroten bis in den ultravioletten Spektralbereich, die Analyse dieser Daten zur Ermittlung der effektiven Massen der Ladungsträger, der fundamentalen Absorptionskanten sowie den Einfluss hoher Ladungsträgerdichten auf die Bandstruktur (Vielteilcheneffekte) und damit auf die optischen Eigenschaften.

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Ziel ist es, das Potenzial der Gruppe-III-Nitrid-Halbleiter für die photo-elektrochemische Wasserspaltung zu evaluieren, d.h. die Bedingungen zur Erzeugung von Wasserstoff an der Halbleiter/Elektrolyt-Grenzfläche umfassend zu untersuchen und zu optimieren.  Im Rahmen des Projektes werden Untersuchungen an epitaktisch abgeschiedenen Schichten mittels (i) Spektralellipsometrie zur Bestimmung der Absorptionseigenschaften als Funktion der Schichtzusammensetzung, (ii) Photolumineszenz und elektrischer Methoden zur Ermittlung der Defekteigenschaften, (iii) photo-elektrochemischer Verfahren zur Bestimmung der Wasserstoffgeneration realsisiert.

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AlN-Voulmenkristalle und epitaktische Al-reiche AlGaN-Legierungen mit Wurtzitstruktur werden mittels Synchrotron-basierter Spektroskopischer Ellipsometrie im Energiebereich von 4 bis 20 eV bei tiefen Temperaturen untersucht. Die Datenanalyse liefert die ordentlichen und außerordentlichen Komponenten des Dielektrizitätstensors für Lichtpolarisation senkrecht und parallel zur optischen Achse. Die hochauflösenden Untersuchungen (Auflösung 0.5 meV) im Bereich der fundamentalen Absorptionskante (~6 eV) liefern die exzitonischen Übergangsenergien unter Beteiligung der drei höchsten Valenzbänder im Zentrum der Brillouinzone. Unter Berücksichtigung der optischen Auswahlregeln können zudem  die Symmetrien der  Exzitonen ermittelt werden, ihre Aufspaltung liefert Spin-Austausch-Energie. Die Verwendung epitaktischer Schichten mit unterschiedlichen Verspannungszuständen beantwortet die in der Literatur kontrovers diskutierte Frage nach dem Vorzeichen der Austausch-Energie.

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Applying synchrotron-based spectroscopic ellipsometry, we will determine the complex dielectric functions of tin oxide as well as copper oxides of different stoichiometry up to 20 (30) eV. The studies of SnO2 will reveal in addition the strong optical anisotropy at high energies. Samples with various electron/hole concentrations (influence of screening on electron-hole interaction) are investigated as a function of temperature. The experimental data will be compared to the available theory results. It serves as a test for the accuracy of various exchange/correlation potentials and quasi-particles schemes used for the calculations.

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Theoretical and experimental studies will be combined in order to get a better understanding of the structural, band structure and optical properties of group-III nitrides in the hexagonal and cubic crystal structure. The project focuses on the ternary and quaternary alloy systems. Ellipsometry by the group of Magdeburg provides the dielectric functions from the near infrared into the ultraviolet spectral region obtained by ellipsometry for various compositions, characteristic transition energies related to critical points of the band structure as well as the valence band density of states extracted from photoelectron spectroscopy measurements. The theory results needed for the interpretation will be provided by the group of India. Density functional theory in the Engel-Vosko’s corrected generalized gradient approximation for exchange and correlation combined with GW perturbation calculations yields the lattice parameters, excited states band structure, density of state, and the quasi-independent dielectric function. The inclusion of electron-hole interaction leads finally to the excitonic DF to be compared with the experimental data and allowing critical point assignment. The increase of the supercell to 64-atom allows to enhance the reliability of the theory results.

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Indium nitride is a new narrow gap semiconductor (<0.7 eV), which, alloyed with GaN (3.5 eV) and AlN (6.2 eV), will allow the spectral range from telecom to hard UV wavelengths to be covered. This narrow band gap makes InN an exciting material from which to develop the highest efficiency solar cells. Moreover, due to an electron mobility of around 4000 cm2/Vs and very high saturation velocities, InN is an ideal material for the development of high electron mobility devices capable of operating in the Terahertz range. To ensure the production of reliable commercial devices, rigorous fundamental research is required to understand the layer growth mechanisms and optimize material properties. In the RAINBOW academic and industrial consortium, the theoretical work will encompass modelling of the atomic structure and properties of the material from empirical potentials to ab initio techniques. Experiments will provide correlated structural, electronic, optical and chemical information from the nano to the macroscopic scale. In a closely concerted effort, we will determine the best conditions for the growth of highest quality InN and In rich (In,Ga,Al)N alloys by the main growth techniques (MOVPE, PAMBE, and HVPE). Under the supervision of world leading experts, numerous ER/ESRs will directly benefit from this interdisciplinary and multisectorial research and training effort. The ER/ESRs involved in this programme will also learn to manage research and industrial projects.

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