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Table-of-content Figure, DOI: 10.1002/smll.202103281
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​Seit der Entdeckung nicht-trivialer elektronischer Bandstrukturen, die sich durch topologische Oberflächenzustände in dreidimensionalen topologischen Isolatoren auszeichnen, hat die Charakterisierung und mögliche die Nutzung dieser faszinierenden Physik die Wissenschaft begeistert. Diese topologischen Oberflächenzustände weisen Elektronen auf, die – im Prinzip – masselos und vor Rückstreuung geschützt sind. Diese Eigenschaften legen nahe, dass es einen Transportkanal gibt, der durch sehr hohe Ladungsträgerbeweglichkeit gekennzeichnet ist. Diese einzigartigen elektronischen Eigenschaften wecken Visionen für potenzielle Anwendungen im Bereich des Quantencomputings und der Spintronik und liefern vielleicht die Antwort der Festkörperphysik auf die Frage, wie nanoskalige Bauelemente effizient kontaktiert werden können. Doch trotz eines Jahrzehnts intensiver Forschung wurde die Nutzbarmachung dieser faszinierenden Transporteigenschaften durch eine wesentliche Einschränkung erschwert: Die Transporteigenschaften werden in der Regel durch die Ladungsträger aus dem Inneren der Materialien dominiert, von denen es im Vergleich zu den Ladungsträgern an der Oberfläche um Größenordnungen mehr gibt. Nanopartikeln bieten hierfür eine Lösung. Nanopartikel zeichnen sich durch ihr großes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen aus. Ein auf Nanopartikeln basierendes Materialdesign ermöglicht es daher, die Transporteigenschaften topologischer Oberflächenladungsträger bei relativ hohen Temperaturen an makroskopischen Proben zu untersuchen.

Aktuelle Fragestellungen:

• Wie kann man die Nanopartikel so zu Volumenmaterialien kompaktieren, dass die Partikeleigenschaften erhalten bleiben, man aber dennoch von dem hohen Oberflächenanteil profitiert? Welche Morphologie ist günstig?
• Wie kann man dann an diesen Materialien den Oberflächentransport charakterisieren? In der Regel hat man hier das Problem, dass das Volumen der Probe sehr viele normalleitende Elektronen enthält und sich die Signale überlagern. Nur bei sehr tiefen Temperaturen und hohen Magnetfeldern lassen sich die Signaturen des Oberflächentransport recht eindeutig finden.
• Welche Materialzusammensetzungen begünstigen den Oberflächentransport? Wie wirkt sich Legierungsbildung aus?
• Kann man die Oberflächentransportkanäle für Anwendungen nutzbar machen? Viele Energieanwendungen (beispielsweise Katalyse) könnten unter Umständen von den außergewöhnlichen Transporteigenschaften profitieren. Allerdings zeigen Telluride und Selenide keine besonders gute Stabilität in wässriger Lösung. Daher muss verstanden werden, wie diese Materialien sich überhaupt in Anwendungen verhalten und wie man deren Stabilität verbessern könnte.

Diese Fragestellungen werden in der Gruppe von Dr. Sepideh Izadi untersucht.

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Graphical Abstract, DOI:10.1002/aenm.202300754
​Martensitische Phasenübergänge sind ein traditionelles Forschungsthema, das seinen Ursprung in der Metallurgie hat, bekannt durch den martensitischen Phasenübergang im Eisen-Kohlenstoff Phasendiagramm (Stahl). Wichtige funktionelle Eigenschaften wie der (magnetische) Formgedächtniseffekt, kalorische Effekte und Ferroelektrizität sind mit martensitischen Phasenübergängen verbunden. Außerdem begünstigen solche Phasenübergänge das Auftreten von Ladungsdichtewellen und scheinen häufig in Supraleitern aufzutreten. Folglich werden die elektronischen Triebkräfte dieser Phasenübergänge, wie die Bildung von Ladungsdichtewellen, Symmetrieabsenkung, Ladungsordnung, Nematizität usw., in der Festkörperphysik untersucht, während viele Anwendungen im Bereich der Ingenieurwissenschaften optimiert werden. Aufgrund der Verankerung dieser Themen in verschiedenen Fachdisziplinen werden grundlegende Fragen zur Rolle elektronischer Triebkräfte in anwendungsrelevanten Materialien erstaunlicherweise kaum behandelt.

In unserer Arbeitsgruppe verwenden wir Transportmessungen in Kombination mit der Untersuchung der Mikrostruktur, um die elektronischen Beiträge sowie die entstehende Mikrostruktur bei diesem Phasenübergang zu charakterisieren. Ein Modellsystem, das wir in Zusammenarbeit mit unserem Partner an der Ruhr Universität Bochum, Prof. Jan Frenzel, untersuchen ist die Formgedächtnislegierung NiTi. Der Mechanismus hinter den Transportanomalien ist vermutlich die Bildung von Ladungsdichtewellen, die nicht nur die Funktionalität, sondern auch die Mikrostruktur in diesen Materialien bestimmen. Wie allerdings die sehr ausgeprägte Mikrostruktur dieser Proben auf das Elektronensystem wirkt, ist vollkommen offen.

Dieses Thema wird in Zukunft (startend ab 11.2024) in der Arbeitsgruppe von Dr. Klara Lünser untersucht.

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​Da diese Arbeit sehr stark vom Vorhandensein qualitativ hochwertiger Proben abhängt, haben wir kürzlich damit begonnen, Einkristalle der entsprechenden intermetallischen Verbindungen selbst herzustellen. Dies beinhaltet auch Design und Aufbau neuer Anlagen zur Kristallzüchtung. Derzeit verfügt die Gruppe über einen Bridgeman-Ofen, eine selbstgebaute Mikro-Pulling Down Anlage, sowie Standard Öfen für Festkörpersynthese. Eine Kristallzüchtungsanlage, welches das Floating Zone Verfahren nutzt, ist derzeit im Aufbau. Die Arbeiten der Kristallzüchtung werden mit thermodynamischer und struktureller Charakterisierung verbunden (DSC, REM, …).

Die Kristallzüchtungsgruppe wird geleitet von Dr. Alexander Kunzmann.