Logo Nano

Physik nanoskaliger Festkörper

Prof. Carsten Ronning
Logo Nano
Foto: Carsten Ronning

Die Arbeitsgruppe beschäftigt sich mit der Synthese, Modifikation und Charakterisierung von nano-skaligen Festkörpern, wobei Halbleiternanodrähte, Metaoberflächen und Dünnschichtsolarzellen im Fokus stehen. Hierbei werden vielfältig Ionenstrahlen eingesetzt, um die Eigenschaften der Festkörper gezielt zu manipulieren oder zu analysieren. Wir untersuchen auch die grundlegenden Mechanismen bei der Wechselwirkung von energetischen Ionen mit Nanostrukturen. 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!

Folgt uns auf Twitter

Halbleiternanodrähte Inhalt einblenden
Spaser Spaser Foto: Martin Hafermann

gefördert durch die Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des SFB 1375 NOA

Unsere Arbeiten zu Halbleiternanodrähten konzentrieren sich auf die Synthese mittels des VLS-Wachstumsmechanismus, die Dotierung und Funktionalisierung mittels Ionenstrahlen sowie den Lasing-Eigenschaften von einzelnen Nanodrähten. Weiterhin untersuchen wir die Funktionalität, Hybridisierung und Integration von Halbleiternano­drähten in komplexen Umgebungen.

Als Beispiel sei an dieser Stelle unsere Forschungen im Rahmen des Sonderforschungsbereiches 1375 "NOA - Nonlinear optics down to atomic scales" genannt, wo wir die Kopplung von Halbleiternanodrähten mit strukturierten plasmonischen Oberflächen, die durch ein sehr dünnes (<10 nm) Dielektrikum getrennt sind, untersuchen. Die enorme Verstärkung und die hervorragenden optoelektronischen Eigenschaften der Nanodrähte zusammen mit dem starken Feldeinschluss der plasmonischen Nanostrukturen bieten eine hohe Integrationsdichte, eine Beschleunigung nichtlinearer Prozesse und schließlich auch eine Kompatibilität mit elektronischen Integrationsprozessen.

Metaoberflächen Inhalt einblenden
Metasurface Metasurface

gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

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
nanoATwork nanoATwork

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.

In unserem neuesten BMBF-Projekt erweitern wir die Beam-line ID16B am ESRF in Grenoble um eine streakCamera, so dass wir in der Zukunft auch in der Lage sind zeitaufgelöste XEOL Spektroskopie durchzuführen.

Ionen-Nanostruktur-Wechselwirkungen Inhalt einblenden
Ionenstrahlmodifikation von Nanostrukturen Ionenstrahlmodifikation von Nanostrukturen

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 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.

Photovoltaik Inhalt einblenden
Querschnitt CIGS Solarzelle Querschnitt CIGS Solarzelle Foto: Carsten Ronning

gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)

Im Rahmen des speedCIGS-Projektes sollen robuste, vor allem wettbewerbsfähige und effizientere CIGS-Herstellungsprozesse bei Industriepartnern entwickelt werden. Dafür sollen basierend auf den materialwissenschaftlichen Erkenntnissen zu den beiden kritischen Parametern CIGS-Kristallisationsgeschwindigkeit und Alkalidotierung, im CIGS-Absorber neue Fertigungsparameter für die industrielle Herstellung definiert werden. Diese werden in den Theoriegruppen bzw. wissenschaftlichen Experimentallabors entwickelt und anschließend bei dem Industriepartner umgesetzt, um auf produktionsrelevanten Formfaktoren (30 x 30 cm2) hohe Wirkungsgrade bei schnellen Abscheidegeschwindigkeiten zu erreichen. Es besteht eine besondere Aufgabe in diesem Projektvorhaben, die Erhöhung der Depositionsgeschwindigkeit, die möglicherweise mit einer Erniedrigung des Wirkungsgrades einhergeht, mit der Optimierung der Alkali-Dotierung so zu kompensieren, dass ein für die Industrie optimales Prozessfenster entsteht.

Unser Beitrag liegt in der umfassenden und grundlegenden Charakterisierung von CIGS-Laborzellen und Teilschichten, die von den Verbundpartnern hergestellt werden sowie von Proben, die selbst nachpräpariert werden. Weiterhin wird die Dotierung von Teilschichten durch (Niederenergie-) Ionenimplantation untersucht. Diese Arbeiten haben das Ziel, ein tieferes Verständnis der Diffusions- und Wachstumsprozesse unter diesen speziellen Prozessbedingungen zu erreichen. Darüber hinaus werden durch Alkalinachbehandlung mittels gezielter Niederenergie-Ionenimplantation die wesentlichen Parameter gesucht, die für die Nachbehandlung entscheidend sind.

Arbeitsgruppe "Physik nanoskaliger Festkörper"
Postanschrift:
Max-Wien-Platz 1
07743 Jena
Diese Seite teilen
Die Uni Jena in den sozialen Medien:
Ausgezeichnet studieren:
Zurück zum Seitenanfang