Nanotechnologie und nanostrukturierte Bauelemente werden als Innovationsmotoren des 21. Jahrhunderts angesehen. Ultradünne Schichten oder winzige Kristalle zeichnen sich durch ungewöhnliche Eigenschaften aus und eröffnen neuartige Anwendungen in der Elektrotechnik. In diesem faszinierenden Forschungsfeld ist das Design von nanoskaligen Materialien und Bauelementen, aber auch deren mikroskopisches Verständnis ein zentrales Anliegen. Herkömmliche Gebiete, wie die Mikro- und Optoelektronik, werden immer mehr von Nanostrukturen geprägt, aber auch neue Forschungsgebiete, wie z.B. die Spintronik (Nutzung des Spins als Informationsträger im Halbleiter) oder die Quanteninformations-Technologie (Nutzung quantenmechanischer Eigenschaften für Speicherung und Übertragung von Information) sind entstanden.

In diesem Umfeld lassen sich die Forschungsaktivitäten am Lehrstuhl für Werkstoffe der Elektrotechnik in folgende Bereiche untergliedern:

Graphen und 2D-Materialien

Graphen als einer allotropen Form des Kohlenstoffs wird eine Schlüsselfunktion in der modernen Nano- und Werkstofftechnologie zugewiesen. Gründe dafür sind die hervorragenden elektrischen, optischen und mechanischen Eigenschaften dieses zwei-dimensionalen (2D) Materials aus gerade einmal einer Atomlage Kohlenstoff. So leitet Graphen den elektrischen Strom um ein Vielfaches besser als der derzeitig beste metallische Leiter, es absorbiert nur 2,7% des eingestrahlten Lichtes und die Bruchfestigkeit ist über 30-mal höher als von Kevlar.

Unser Forschungsgebiet umfasst die Herstellung von Graphen und dessen Transfer auf geeignete Substrate, die Analyse der elektrischen und optischen Eigenschaften auf einer Nanometer-Längenskala, sowie - in Zusammenarbeit mit unseren Partnern - die Einbindung von Graphen in Bauelement-Architekturen. Dabei stehen Anwendungen als Kanalmaterial für Hochfrequenztransistoren, als Füller in leitfähigen Tinten sowie als transparente Elektrode in Lichtemittern und Solarzellen im Mittelpunkt unseres Interesses. Ergänzt werden die Forschungsarbeiten durch nano-optische und elektrische Untersuchungen an alternativen 2D-Materialien, wie z.B. Molybdändiselenid (MoS2) oder Molybdändisulfid (MoSe2), welche im Gegensatz zum Graphen eine endliche Bandlücke besitzen und damit Anwendungspotential in der Optoelektronik aufweisen.

Nano-Optoelektronik: Materialien und Bauelemente

Moderne optoelektronische Bauelemente enthalten Funktionsschichten und –strukturen, deren Abmessungen längst in den Bereich weniger Nanometer und darunter vorgedrungen sind. Beispiele sind u.a. null-dimensionale Materialien wie Halbleiter-Quantenpunkte, ein-dimensionale Nanodrähte oder zwei-dimensionale Schichten. Reduziert man die Größe von Halbleiterkristallen in mindestens einer Dimension auf wenige Nanometer, müssen deren Eigenschaften quantenmechanisch beschrieben werden. Die veränderte elektronische Zustandsdichte, aber auch die Möglichkeit, die Bandlücke über die Größe solcher Strukturen einstellen zu können, eröffnet faszinierende Aspekte für innovative Anwendungen. Beipiele sind effiziente Lichtemitter bzw. Absorber für maßgeschneiderte Wellenlängen oder Bauelemente, die einzelne Photonen „auf Bestellung“ liefern können.

Ziel ist es, die fundamentalen elektronischen und optischen Eigenschaften solcher Nanomaterialien zu verstehen und für Anwendungen nutzbar zu machen. Aufbauend auf einem detaillierten Materialverständnis geht es im Reinraum des Lehrstuhls darum, solche Quantenmaterialien in ein Bauelementkonzept zu integrieren und das Anwendungspotenzial z.B. in der Optoelektronik auszuloten. Unsere vielfältigen Analysemethoden – Elektronen-Mikroskopie, Nano-Optik und Raster-Sonden-Mikroskopie - sind in der Lage, Stromfluss und Potenzialverteilung sowie optische und strukturelle Eigenschaften auf einer Nanometerskala zu erfassen und damit eine Korrelation von Materialeigenschaften und Bauelement-Funktionalität zu erarbeiten.

Spintronik und magnetische Halbleiter

In der herkömmlichen Mikroelektronik wird die Ladung von Elektronen als Informationsträger eingesetzt. Ein innovativer Ansatz der Informationstechnik nutzt neben der Ladung die quantenmechanische Eigenschaft ‚Spin’ von Ladungsträgern zur Darstellung von Information. Moderne Leseköpfe in Festplatten basieren u.a. auf der Tatsache, dass in nanometer-dünnen Ferromagnet-Isolator Schichtsystemen der Stromtransport von der relativen Ausrichtung zwischen Elektronenspin und Magnetisierung abhängt. Als Spintronik im engeren Sinn wird die Nutzung des Spins von Ladungsträgern in Halbleitern bezeichnet.

Wir widmen uns dem Ziel, elektronische, optische und magnetische Funktionalität in neuartigen Nanomaterialien zu kombinieren. Zum einen werden magnetisch dotierte Halbleiter- Nanostrukturen (Quantenpunkte, Nanobänder, Cluster) untersucht mit der Intention, Ladungsträgerspins über die magnetischen Dotieratome zu beeinflussen und – vice versa – durch optische bzw. elektrische Stimulation den Magnetismus zu kontrollieren. Als Alternativansatz werden mikroskopische Leiterschleifen eingesetzt, um lokale magnetische Felder zu erzeugen und damit Spinzustände im Halbleiter elektrisch auf einer GHz Skala schalten zu können. Die Forschungsaktivitäten am Lehrstuhl beinhalten das Design und die Entwicklung geeigneter mikro- und nanostrukturierter Systeme im Reinraum und deren Analyse mit modernen Methoden der orts- und zeitaufgelösten Magnetooptik.

Nachwuchsgruppe