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Arbeitsgruppe "Physik nanoskaliger Festkörper"

Prof. Carsten Ronning
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Foto: Carsten Ronning

Die Arbeitsgruppe beschäftigt sich mit der Synthese, Modifikation und Charakterisierung von nano-skaligen Festkörpern. Dabei werden vielfältig Ionenstrahlen eingesetzt, um die Eigenschaften der Festkörper gezielt zu manipulieren. Wir arbeiten in nationalen und internationalen Kollaborationen. Weitere Details zu unseren aktuell geförderten Projekten und Forschungsthemen finden Sie nachfolgend. Zu allen Bereichen vergeben wir fortlaufend und immer aktuelle BSc.- und MSc.-Arbeiten!

Halbleiternanodrähte Inhalt einblenden

gefördert durch die Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG)

Die Forschungsgruppe FOR1616 wurde im Frühjahr 2012 eingerichtet und widmet sich der Erforschung der Dynamik und Wechselwirkungen von Halbleiter-Nanodrähten für die Optoelektronik. Wir untersuchen die technologischen Aspekte ihrer Herstellung und die physikalischen Aspekte der Wechselwirkungsmechanismen zwischen Halbleiter-Nanodrähten und ihrer Umgebung. Die Forschergruppe befasst sich mit den Herausforderungen bei der Ermittlung des fundamentalen und praktischen Potenzials funktionalisierter Nanodrähte für die Realisierung effizienter optoelektronischer Bauelemente wie z.B. Leuchtdioden, Laser, Einzelphotonenemitter oder Solarzellen. Unsere wissenschaftlichen Arbeiten zielen auf detaillierte Einblicke in die Dynamik und die Kopplungsmechanismen von Nanodrähten mit ihrer Umgebung, und helfen künftige Entwicklungen auf diesem Gebiet zu identifizieren und voranzutreiben.

Metaoberflächen Inhalt einblenden

gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), dem Deutschen Akademischen Austauschdienst (DAAD), und dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)

Metaoberflächen sind künstlich strukturierte und optisch dünne Schichten, die präzise kon­struiert werden können, um die Amplitude, Polarisation oder Phase von Lichtstrahlen zu manipulieren. Metaoberflächen ermöglichen somit flache Optiken und werden die Photonik revolutionieren, da konventionelle Lithographie und Abscheidungsverfahren zur Herstellung von komplexen optischen Bauelementen eingesetzt werden können.

Die Herstellung von Metaoberflächen mit Ionenstrahltechniken birgt ein enormes Potenzial für die Schaffung großflächiger, dynamisch gesteuerter optischer Meta-Bauelemente und ist ein entscheidender Schritt hin zu einer inhärent planaren Optik. In unserem Projekt werden neuartige Metaoberflächen für einen breiten und abstimmbaren Spektralbereich durch selektive Modifizierung der Brechungsindizes dünner dielektrischer Filme durch eine Ionenstrahlbestrahlung durch Masken hergestellt. Die relevanten dielektrischen Materialsysteme, die zur Erzeugung der Metaoberflächen verwendet werden - Phasenwechselmaterialien, transparente leitende Oxide, Silizium - bieten geringe optische Verluste und dynamische Kontrolle ihrer optischen Eigenschaften durch einen externen Stimulus (Temperatur, Licht, Spannung). Da durch Ionenbestrahlung inhärent flache Metasoberflächen ermöglicht werden, können auch dreidimensionale hierarchische optische Systeme Schicht für Schicht aufgebaut werden: eine Langzeitvision in der Optik.

Nano-Röntgenanalyse Inhalt einblenden

gefördert durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Verbundforschung "Kondensierte Materie"

Am ESRF in Grenoble steht seit einigen Jahren ein hochbrillanter Synchrotronstrahl mit einem Durchmesser von etwa 30 - 50 nm an der "Beam-line" ID16B zur Verfügung, der die Untersuchung einzelner Nanoobjekte ermöglicht. Wir nutzen diesen fokusierten Röntgenstrahl um einerseits die charakteristische Röntgen-Fluoreszenz (XRF) zu detektieren, aber auch um gleichzeitig Röntgenabsorptions-Spektroskopie der Feinstruktur (XANES, EXAFS) oder Röntgen-induzierten Strommessung (XBIC) durchzuführen. Dieser direkte und korrelierte Zugang zu Struktur, Eigenschaften und Funktionalität auf einer Nanometer-Skala nutzen wir um unterschiedliche Modelsysteme zu untersuchen. Aktive Bauelemente aus funktionalisierten Halbleiternanodrähte bzw. Dünnschichtsolarzellen werden durch den nano-Synchrotronstrahl lokal angeregt. Dabei kann die Raumladungszone sowie die relative Effizienz in-operando durch XBIC bestimmt werden, und gleichzeitig die Stöchiometrie (XRF), Dotierung (XRF, XAS), Luminiszenz (XEOL) oder Struktur (XRD, XAS) örtlich untersucht werden. Die gewonnenen Korrelationen sind entscheidend für die Kenntnis der Funktionalität von aktiven Bauelementen auf der Nanometer-Skala, und bieten daher einen leichten Zugang zur Erhöhung der entsprechenden Effizienzen.

Ionen-Nanostruktur-Wechselwirkungen Inhalt einblenden

gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) und der Alexander von Humboldt Stiftung (AvH)

Etablierte Synthesemethoden für Nanopartikel arbeiten oft nahe oder sogar im thermodynamischen Gleichgewicht und werden durch Löslichkeitsgrenzen oder Oberflächenrekonstruktionen begrenzt. Eine Alternative ist die Modifikation von Nanopartikeln durch Ionenbestrahlung, um neue Nanostrukturen mit ungewöhnlichen Eigenschaften zu generieren.  Verschiedene Prozesse finden dabei auf unterschiedlichen Skalen statt, und unterscheiden sich erheblich von denen, wenn Volumenmaterialien bestrahlt werden. Dies sind z.B. eine geringere Einbaueffizienz der implantierten Ionen, höhere Zerstäubungsraten, stärkeres dynamisches Ausheilen. Wir untersuchen die Dynamik der Strukturänderungen bei der Ionenbestrahlung mit verschiedenen hochauflösenden Techniken, und führen parallel dazu Monte-Carlo Simulationen mit den Programmen iradina oder TRI3DYN durch, um die grundlegenden Prozesse besser zu verstehen.

Weiterhin untersuchen wir die Synthese von magnetischen Nanoteilchen in ionenimplantierten Oxiden in Zusammenarbeit mit einer Forschergruppe in Südafrika. Wir nutzen dabei unsere einzigartige komplementäre Expertise in der Ionenimplantation (Jena) und der magnetischen Charakterisierung (Südafrika) durch Mößbauerspektroskopie, um die Bildungsmechanismen bei der Ionenstrahlsynthese zu studieren. Inbesondere die resultierende Größe der Nanoteilchen sowie deren magnetische Eigenschaften bestimmen wir als Funktion der Ionenfluenz als auch einer anschließenden Wärmebehandlung.

iradina Inhalt einblenden
iradina logo Foto: Christian Borschel
3D Monte Carlo Simulation von ionenbestrahlten  Nanostrukturen

iradina ist ein Computerprogramm zur Simulation der Ionenstrahlbestrahlung von Nanostrukturen. Iradina simuliert den Transport von energetischen Ionen durch Festkörper, indem es binäre Kollisionen berechnet und einen Monte-Carlo (MC) Transportalgorithmus verwendet.

Arbeitsgruppe "Physik nanoskaliger Festkörper"
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Helmholtzweg 3
07743 Jena
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Postanschrift:
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