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Experimentelle Methoden und Simulationen

Auf dieser Seite geben wir einen Überblick über die Forschungsmethoden in unserer Arbeitsgruppe. Eine genaue Auflistung aller verwendeten Forschungsgeräte und deren Spezifikationen finden Sie auf den Seiten der Gerätezentren von mar.quest.

Wachstum

Für das Wachstum neuartiger Quantenmaterialien verwenden wir metallorganische chemische Gasphasenepitaxie (MOCVD) Reaktoren. In die Reaktorkammer werden Präkursorengase eingeleitet. Dabei können die Mengenverhältnisse der Präkursorengase und die Temperatur der Reaktorkammer so gesteuert werden, dass sich die Präkursoren gezielt zersetzen und das gewünschte Quantenmaterial wächst. Ziel ist dabei ein möglichst großflächiges homogenes Wachstum zu erzielen. Zusätzlich erforschen wir neuartige Präkursorgasmischungen auf deren Eignung.

Charakterisierung

In unserer AG charakterisieren wir unsere eigenen gewachsenen Materialien sowie Proben unserer Kollaborationspartner.

Transmissionselektronenmikroskopie

Die zentrale Charakterisierungsmethode unserer Arbeitsgruppe ist die (Raster-) Transmissionselektronenmikroskopie. Wir betreiben zwei leistungsstarke Transmissionselektronenmikroskope und ein weiteres, hochmodernes Mikroskop befindet sich im Aufbau. Mit unseren Mikroskopen ist es möglich, im Bildmodus die atomare Struktur unserer Proben aufzulösen. Messungen im Beugungsmodus liefern Informationen zur Orientierung und Phase der Proben. Außerdem können Spektroskopieverfahren wie energiedispersive Röntgenspektroskopie und Elektronenenergieverlustspektroskopie Aufschluss über die chemische Zusammensetzung der Probe sowie die Art der chemischen Bindung geben.

Fokussierter Ionenstrahl Präparation und Elektronenmikroskopie

Zur Präparation von dünnen Proben, die mit den Transmissionselektronenmikroskopen untersucht werden sollen, nutzen wir u.a. die fokussierter Ionenstrahl Methode. In unseren Doppelstrahl-Systemen ist eine Ionen- und eine Elektronensäule verbaut. Mit dem Elektronenstrahl können Proben bis in den Nanometerbereich hinein untersucht werden und der Ionenstrahl wird genutzt, um die Probe zu manipulieren. Mit eingeleitetem Präkursor Gas können submikrometergenau Schutz- oder Verbindungsschichten gewachsen werden, um die nur wenige Mikrometer großen, mit dem Ionenstrahl dünn geschnittenen Lamellen an den Probenhaltern für das Transmissionselektronenmikroskop zu befestigen. 

Weitere Analysemethoden und Geräte

Neben unseren Elektronenmikroskopen stehen uns viele weitere Geräte und Messmethoden zur Verfügung. Unsere Proben lagern wir in Stickstoff oder Argon gefüllten Handschuhboxen, die eine Degradation der Proben durch den Kontakt mit Feuchtigkeit und Luft verhindern sollen. Mit luftdichten Transferkapseln oder Mikroskophaltern können wir die Proben zwischen den Handschuhboxen und den Mikroskopen ohne Kontakt zur Umgebungsluft transferieren. Des Weiteren nutzen wir Techniken wie Ramanspektroskopie oder Rasterkraftmikroskopie, um unsere gewachsenen Quantenmaterialien hinsichtlich Phase, Kristallinität und Morphologie zu untersuchen. Mit Hilfe von Photolumineszenzspektroskopie erhalten wir Informationen über die elektronische Struktur unserer gewachsenen Materialien.

Simulationen und Einsatz von KI

Um ein besseres Verständnis unserer Messdaten zu bekommen und Experiment und Theorie miteinander vergleichen zu können, führen wir Raster-Transmissionselektronenmikroskopie Simulationen durch. Außerdem verwenden wir DFT Rechnungen, um Absorptionsspektren unserer Proben zu berechnen und mit experimentell aufgenommenen Spektren zu vergleichen. Damit können wir Rückschlüsse über tatsächlich in unseren Probe vorkommende Kristallphasen erhalten. Zudem nutzen wir künstliche Intelligenz, um Beugungsbilder zu analysieren und damit Rückschlüsse über Orientierung und Kristallphase der Probe zu erhalten.