Institut für Materialphysik

Arbeitsgruppe Prof. Dr. Hartmut Bracht – Struktur-Eigenschaftsbeziehung funktionaler Materialien

Nanokristall aus Germanium in einer Schicht aus Siliziumdioxid auf einem Siliziumwafer. Diese Struktur ist für die Herstellung von nichtflüchtigen Speicherbauelementen geeignet. Die mit dieser Struktur verbundenen elektrischen und optischen Eigenschaften werden z. B. in der AG Bracht untersucht.

Die Erforschung der Struktur-Eigenschaftsbeziehung von funktionalen Materialien bildet den Schwerpunkt der wissenschaftlichen Arbeiten in der Arbeitsgruppe. Die Abbildung zeigt z. B. einen Germaniumnanokristall, der in einer Siliziumdioxidschicht eingebettet ist. Durch Anlegen einer äußeren Spannung kann dieser Nanokristall elektrisch geladen werden. Das Oxid zwischen Silizium und dem Nanokristall dient dabei als Tunneloxid. Die Speicherung von Ladung ist für die Entwicklung skalierbarer nichtflüchtiger Speicherbauelemente von grundlegender Bedeutung.

Ein weiteres Themenfeld der Arbeitsgruppe behandelt die Diffusion und Reaktion von Dotieratomen mit atomaren Eigendefekten in Halbleitern. Unsere Untersuchungen liefern Information über die Natur und die Ladungszustände der atomaren Defekte. Dieses Verständnis hilft geeignete Strategien für eine kontrollierte Dotierung zu finden, die für die Entwicklung zukünftiger Halbleiterbauelemente wichtig sind.

Weitere Forschungsaktivitäten behandeln die bislang im Detail unverstandenen Vorgänge des atomaren Mischens in Materialien, das durch Beschuss mit hochenergetischen Ionen (Implantation) und durch Rekristallisationsprozesse hervorgerufen wird. Für die Untersuchung dieser Prozesse werden modernste Methoden zur Tiefenprofilanalyse wie die Sekundärionen-Massenspektrometrie und die tomographische Atomsonde verwendet.

Weitere Arbeiten behandeln für eine moderne Volkswirtschaft bedeutende Themen wie den Korrosionsschutz von Stahl und neue Materialien für eine effiziente Energieumwandlung mit Hilfe thermoelektrischer Generatoren. Gegenstand dieser Arbeiten bilden Fragestellungen zum Einfluss von chemischen Aktivatoren auf die Zinkdiffusionsbeschichtung von Stahl und neue Strategien zur Reduzierung der thermischen Leitfähigkeit von Halbleitern ohne die elektrischen Eigenschaften zu beeinflussen. Letzteres kann z. B. durch massenmodulierte Halbleiterschichtstrukturen realisiert werden. Solche isotopenmodulierte Halbleiterstrukturen bilden eine neue Klasse von Metamaterialien, die für thermoelektrische Anwendungen sehr interessant sind.

Meine Mitarbeiter und ich (bracht@uni-muenster.de) informieren Sie gerne auch in einem persönlichen Gespräch über aktuelle Bachelor- und Masterarbeiten.

Homepage AG Bracht

Arbeitsgruppe Prof. Dr. Martin Salinga – Dynamik amorpher Halbleiter

© Salinga

Unsere Forschung befasst sich mit der Untersuchung der Dynamik von resistiv geschalteten Materialien und ihrer Anwendung in neuartigen elektronischen Bauteilen. Durch eine Umordnung ihrer atomistischen Struktur ändern iese Materialien verändern ihre elektrischen Eigenschaften enorm, während ihre chemische Zusammensetzung unverändert bleibt. Wie hängen die elektrischen Eigenschaften von der atomistischen Struktur ab? Wie schnell können diese Zustände geändert werden? Welche Zustände sind besonders Stabil? Was passiert auf mikroskopischer Skala, wenn der Zustand eines dieser Materialen geändert wird? Dies ist eine Auswahl an grundlegenden Fragen, deren Beantwortung unsere Forschung in Angriff nimmt.

  • Erforschung kondensierter Materie fernab des Gleichgewichts: Um diese Fragen zu beantworten, charakterisieren wir die Dynamik unserer nanostrukturierten Proben über viele Größenordnungen der Zeit hinweg mit Hilfe von elektrischen und ultraschnellen optischen Messungen.
  • Ab-Initio Simulationen: Diese Messungen werden durch ab-initio Simulationen auf Grundlage der Dichtefunktionaltheorie ergänzt, die Zugang zu Größen bieten, die mit Experimenten nicht oder nur schwer zugänglich sind. In enger Verbindung mit unseren experimentellen Arbeiten streben wir ein tieferes Verständnis des elektronischen Transportmechanismus' in der amorphen Phase von Phasenwechselmaterialien auf der Nanoskala an, was für das Verständnis des Verhaltens von nanoskopischen Speicherelementen unerlässlich ist.
  • Phasenwechselmaterialien in neuartigen Prozessoren: Diese Elemente können durch Ausnutzung des Kontrastes der elektrischen und optischen Eigenschaften zwischen den kristallinen und amorphen Zuständen von Phasenwechselmaterialien realisiert werden. Diese Bauelemente können in neuartigen Prozessoren verwendet werden, die vom Aufbau und der Funktionsweise unseres Gehirns inspiriert sind.
  • Probenherstellung: Maßgeschneidert Materialien und Geräte: Optimale Leistung in spezifischen Anwendungen kann allerdings nur mit maßgefertigten Materialien mit optimierten Eigenschaften erreicht werden. Aus diesem Grund befasst sich ein Teil unserer Forschung mit der Entwicklung von Phasenwechselmaterialien und der Herstellung von nanostrukturierten Systemen mit denen ebendiese Anwendungen untersucht werden können.

Weitere Informationen über unsere Forschung finden sie auf unserer Website oder im persönlichen Gespräch mit uns im Institut für Materialphysik (Gebäude IG1, 6. Stock). Wir bieten ihnen gerne eine Tour durch unsere Labore und weitere Information wie sie unserem Team beitreten können.
Um das richtige Thema für ihre Bachelor- oder Masterarbeit zu finden wenden Sie sich bitte direkt an Prof. Martin Salinga (martin.salinga@uni-muenster.de). Weiterhin bieten wir Ihnen die Möglichkeit uns ihm Rahmen einen Mini-Forschungsprojektes näher kennenzulernen.

Arbeitsgruppe Prof. Dr. Gerhard Wilde – Nanostrukturierte Materialien & Materialien mit ungeordneten Strukturen

Obere Abbildung: Hochauflösungs-Transmissionskalorimetrische Aufnahme der atomaren Struktur von Defekten (drei „spezielle“ Korngrenzen die in einer Tripellinie zusammenkommen) in einem nanokristallinen Korn. Die Tripellinie (in der Projektion als Tripelpunkt zu sehen) ist durch die umlaufende weiße Linie gekennzeichnet. Untere Abbildung: Die gleiche Struktur, hier stellen die Farben jedoch Abweichungen von den theoretischen Gitterpositionen der Atomsäulen dar. Starke Farbänderungen entsprechen also starken Verzerrungen auf atomarer Skala. Durch Vergleich mit molekulardynamischen Simulationen und der Berechnung von Hochauflösungs-Aufnahmen auf der Basis der Simulationsergebnisse konnte hier erstmalig die Struktur eines derartigen Tripellinien-Defektes konsistent beschrieben werden. Diese Art Defekte und auch die speziellen Defektkonfigurationen entlang der Korngrenzen werden im Rahmen der Stabilität und der mechanischen Eigenschaften von Nanomaterialien diskutiert.

Wir arbeiten im Bereich Forschung und Lehre auf dem Gebiet der Materialphysik mit einem ausgeprägten Fokus auf nanostrukturierten Materialien und Materialien mit ungeordneten Strukturen.

Unsere Themen sind durchgängig im Bereich der materialphysikalischen Grundlagenforschung angesiedelt und adressieren die Zusammenhänge zwischen der atomaren Struktur und insbesondere den Abweichungen von der kristallinen Ordnung und den resultierenden makroskopischen Materialeigenschaften. Dazu nutzen wir verschiedene Charakterisierungsverfahren wie beispielsweise hochauflösende Raster- und Transmissionselektronenmikroskopie, Diffusionsuntersuchungen, thermische Analyse und Kalorimetrie, Magnetometrie, Rasterkraft-Mikroskopie oder verschiedene Verfahren zur Messung mechanischer Eigenschaften. Dabei sind zurzeit folgende Themengebiete im Fokus unserer Forschung:

  • Oberflächen-Nanostrukturierung
  • Korngrenzendiffusion
  • Nanoplastiztät
  • Größenabhängige Thermodynamik
  • Metallische Gläser
  • Hoch-Entropie-Legierungen

Kurzbeschreibungen zu diesen Themengebieten

Generell besteht jede Bachelorarbeit (genauso wie natürlich jede Master- und Doktorarbeit) aus einer eigenen Aufgabenstellung welche sich an dem heutigen Stand der Forschung orientiert und wissenschaftliches Neuland darstellt. Aufgrund der zeitlichen Beschränkung bei Bachelorarbeiten ist eine enge Betreuung und die Wahl überschaubarer Themenbereiche naturgemäß notwendig. Daher werden Bachelorarbeiten im Bereich einer existierenden Doktorarbeit angelegt und von dem jeweiligen Doktoranden oder der Doktorandin intensiv mitbetreut. Neben der direkten Kommunikation werden die neuesten Ergebnisse aber auch auftauchende Probleme etc. während der im Semester wöchentlich stattfindenden Gruppenbesprechungen diskutiert. Das Ziel jeder Bachelorarbeit ist die Generierung neuer Erkenntnisse, welche im Rahmen einer Koautorenschaft in Publikationen in internationalen und referierten Fachzeitschriften einfließen sollen.

Weitere und natürlich weitaus vertiefte Informationen können Sie direkt bei mir (gwilde@uni-muenster.de) oder bei meinen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern erhalten. Kontaktinformationen finden Sie auf unserer Homepage. Wir freuen uns immer auf ein persönliches Gespräch mit Ihnen.

Homepage AG Wilde