ABTEILUNG MATERIALPHYSIK

Anionische Amidinat-Liganden des Typs [RC(NR')₂]^- sind mittlerweile als unverzichtbare Tools in der Koordinationschemie nahezu aller metallischer Elemente im Periodensystem fest etabliert. Sie ermöglichen sowohl die Synthese neuer Homogenkatalysatoren als auch das Design flüchtiger Precursoren für ALD- und CVD-Verfahren in der Materialwissenschaft (z.B. Phasenwechsel- und Halbleitermaterialien). Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Erforschung von Alkinylamidinat-Liganden in der Koordinationschemie der Übergangsmetalle.

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Ziel des Projects ist die Synthese und vollständige Charakterisierung (IR, Raman, NMR, Elementaranalyse) von Polysulfid-Anionen und ihren Metall-Komplexen. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf der strukturellen Charakterisierung mittels Einkristall-Röntgenstrukturanalyse.

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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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Synchrotron-basierte spektroskopische Ellipsometrie wird angewendet um die komplexe dielektrische Funktion von SnO2 und Cu2O bis 30 eV zu bestimmen. Schwerpunkt für SnO2 ist die Ermittlung der optischen Anisotropie für hohe Photonenenergien. Die Untersuchung von Proben mit unterschiedlichen Konzentrationen der Elektronen liefern ferner Aussagen zur Abschirmung der Elektron-Loch-Wechselwirkung (exzitonische Effekte und Bandkantenrenormierung). Die experimentellen Daten werden mit den Ergebnissen theoretischer Berechnungen verglichen. Dies ermöglicht die Evaluation der genauigkeit verschiedener Austausch-/Korrelations-Potenziale sowie der Quasiteilchen-Korrekturen.

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Theoretische und experimentelle Untersuchungen werden kombiniert um zu einem tieferen Verständnis der strukturellen, optischen und Bandstruktureigenschaften der Gruppe-III-Nitride in hexagonaler und kubischer Struktur zu gelangen. Der Fokus liegt auf den ternären und quaternären Legierungen. Ellipsometrie der Magdeburger Gruppe liefert die dielektrischen Funktionen vom nahen infraroten bis in den vakuumultravioletten Spektralbereich für unterschiedlichste Zusammensetzungen und die Übergangsenergien im Bereich kritischer Punkte der Bandstruktur; aus der Photoelektronen-spektroskopie werden die Valenzbandzustandsdichten extrahiert. Die für die Interpretation notwendigen Theorieergebnisse werden durch den indischen Partner bereitgestellt. Sie beruhen auf Dichtefunktionaltheorie in der von Engel-Vosko korrigierten generalisierten Gradientenapproximation für Austausch und Korrelation und umfassen Gitterparameter, Quasiteilchen-Bandstruktur, Zustandsdichte und die dielektrische Funktion in der Einteilchen-Näherung. Die zusätzliche Einbeziehung von Elektron-Loch-Korrelation liefert die exzitonische DF zum Vergleich mit den experimentellen Daten und gestattet die Zuordnung der kritischen Punkte zur Bandstruktur. Die Erweiterung der Superzellgröße auf 64-Atome wird die Genauigkeit der Berechnungen weiter erhöhen.

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Indiumnitrid (InN) besitzt unter allen Nitridhalbleitern die kleinste Bandlücke. Erst seit wenigen Jahren ist bekannt, dass diese nicht im sichtbaren sondern im infraroten Spektralbereich liegt. Dies eröffnet neue Anwendungsfelder der Nitride. Ein Konsortium aus 13 europäischen Universitäten und Forschungseinrichtungen hat es sich zum Ziel gestellt, zum einen die Herstellung  von InN und seinen Legierungen mit GaN und AlN deutlich zu verbessern und zum anderen grundlegende elektronische und optische Eigenschaften des Materialsystems zu untersuchen. Auf dieser Basis sollen erste Demonstratoren neuartiger Bauelemente realisiert werden.

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