Forschung
Nachfolgend erhalten Sie einen Überblick über die Forschungsschwerpunkte der Fachgruppe.
Zweidimensionale oxidische Quasikristalle
Rastertunnelmikroskopische Abbildung der atomaren Struktur eines oxidischen Quasikristalls. Die Bauelemente der Kachelung sind farblich hervorgehoben. Benachbarte Atome sind ca. 0,7 nm voneinander entfernt.
Mit den zweidimensionalen oxidischen Quasikristallen wurde 2013 in unserer Fachgruppe eine neue Materialklasse entdeckt. Bis dato waren Quasikristalle lediglich in verschiedenen Metalllegierungen und organischen Materialien bekannt.
Bei den zweidimensionalen oxidischen Quasikristallen handelt es sich um die ersten quasikristallinen Strukturen, die in Oxiden gefunden wurden. Sie bilden sich in monoatomaren Schichten ternärer Oxide auf den Oberflächen metallischer Einkristalle. Durch das Heizen der Oxidschichten unter reduzierenden Bedingungen im Ultrahochvakuum breitet sich ein benetzender Oxidteppich über die gesamte Metalloberfläche aus, in dem abhängig von der Heiztemperatur verschiedene langreichweitig geordnete Strukturen auftreten. Das besondere strukturelle Merkmal der quasikristallinen Schichten ist das Fehlen einer Translationssymmetrie und das Ausbilden eines zwölfzähligen Beugungsmusters. Mit Hilfe der Rastertunnelmikroskopie konnte gezeigt werden, dass diese Strukturen als Kachelung aus Quadraten, Dreiecken und Rhomben aufgebaut sind, die mit der sogenannten Niizeki-Gähler-Kachelung ein ideal zwölfzähliges mathematisches Analogon besitzen.
Eine Nachwuchsgruppe unter der Leitung von Dr. Stefan Förster hat sich zum Ziel gesetzt, die Voraussetzungen zur Bildung der oxidischen Quasikristalle systematisch zu untersuchen. Bisher sind oxidische Quasikristalle ausgehend von BaTiO3- und SrTiO3-Schichten auf Pt(111)-Oberflächen bekannt. Prinzipiell gibt es allerdings eine Vielzahl von Kombinationsmöglichkeiten chemisch ähnlicher Materialien, die auch zur Bildung von Quasikristallen führen könnten. Das Spektrum der Methoden, die zur Untersuchung dieser Zweidimensionalen Oxide zum Einsatz kommen, umfasst Beugungsmethoden (LEED & SXRD), Mikroskopie (STM, AFM, PEEM, LEEM) und verschiedene spektroskopische Techniken (XPS, UPS, ARUPS, 2PPE, STS, HREELS).
Einen weitereren Schwerpunkt bilden Untersuchungen der Phasonendynamik in oxidischen Quasikristallen. Phasonen sind Gitteranregungen in einem höherdimensional-periodischen Hyperraum der Quasikristalle. In einem von ANR und DFG co-finanzierten Projekt wird diese Thematik mit temperaturabhängiger Röntgenbeugung am Synchrotron und Hochtemperatur-STM-Messungen an einem eigens hierfür entwickelten Instrument bearbeitet.
Alkali-induzierte Oberflächeneffekte und Grenzflächenpassivierung in chalkogeniden Solarzellen
Schematische Darstellung des Aufbaus einer chalkogeniden Solarzelle.
Mit den Materialien:
ZnO:Al - mit Aluminium dotiertes Zinkoxid
i-ZnO - intrinsisches Zinkoxid
CdS - Cadmiumsulfid
Cu(In,Ga)Se2 - CIGS
Mo - Molybdän
SLG - Kalk-Natron-Glas
Solarzellen gehören zu den bekanntesten Technologien in der Umwandlung erneuerbarer Energien zu elektrischem Strom. Einen Forschungszweig der Photovoltaik bildet dabei die Untersuchung von Dünnschichtsolarzellen. Diese bestehen aus einer Kombination verschiedener Materialsysteme. Die leitende Schicht ist das CIGS (Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid). Durch das Hinzufügen von Alkalimetallen wie Natrium kann der Wirkungsgrad der Solarzelle erhöht werden, was einer besseren Stromausbeute entspricht.
Die Fachgruppe Photovoltaik unter der Leitung von Prof. R. Scheer fand heraus, dass die Belichtung von CIGS zu einer Verringerung des Wirkungsgrades führt, wenn die Oberfläche gleichzeitig mit Sauerstoff in Kontakt kommt. Mit der Methode der zeitaufgelösten Photolumineszenz (trPL) lassen sich Rückschlüsse auf den Wirkungsgrad einer Solarzelle ziehen.
Die Fachgruppe Oberflächenphysik besitzt mit der Methode der Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) die Möglichkeit, die chemische Zusammensetzung an der Oberfläche von Materialien zu bestimmen.
Durch die Kooperation beider Forschungsgruppen konnte gezeigt werden, dass die Ursache für die Reduktion des Wirkungsgrades in der Anlagerung von Natrium und Sauerstoff an der CIGS-Oberfläche liegt (siehe Publikation: https://doi.org/10.1063/1.4992116 ).
Die Kombination der Messmethoden trPL und XPS ist bahnbrechend und wird dabei helfen die Rolle der Alkalimetalle in chalkogeniden Dünnschichtsolarzellen zu verstehen.
Nanometer-aufgelöste ultraschnelle Spin- und Elektronendynamik an magnetischen Oberflächen
Das Ziel unseres gemeinsamen SFB/TRR 227 mit der FU Berlin ist es, ein grundlegendes Verständnis der ultraschnellen Spindynamik zu etablieren und damit die Grundlagen für spinbasierte Informationstechnologie zu schaffen. Unser vorrangiges Ziel ist es daher, detaillierte Erkenntnisse über die Spindynamik und die Kopplungen von Elektronen-, Phononen- und Spin-Freiheitsgraden auf ultraschnellen Zeitskalen zu sammeln und zu entwickeln.
In diesem Projekt wird die Spin- und Magnetisierungsdynamik von ferromagnetischen und antiferromagnetischen Dünnschichten auf der Nanometer-Längenskala untersucht. Zeitaufgelöste Photoemissions-Elektronenmikroskopie (tr-PEEM) wird in Kombination mit zeitaufgelöster Zwei-Photonen-Photoelektronenspektroskopie (tr-2PPE) eingesetzt. Mit unabhängig voneinander durchstimmbaren Pump- und Probe-Pulsen untersuchen wir die räumliche Verteilung der Spindynamik, die durch eine transiente elektronische Struktur angetrieben wird. Diese zu untersuchende transiente elektronische Struktur wird indirekt durch einen Spinstrom oder direkt durch optische Pulse angeregt. Diese Anregungen werden mittels tr-2PPE untersucht und durch plasmonische Nanostrukturen in den tr-PEEM-Experimenten räumlich maßgeschneidert. Ein spezielles Ziel ist es, das Schalten von Domänen und Domänenwandbewegungen in ferromagnetischen und antiferromagnetischen dünnen Filmen bei Spin- und optischen Anregungen auf der Nanometer-Femtosekunden-Skala abzubilden.