Graphen als einer allotropen Form des Kohlenstoffs mit einer Dicke von lediglich einer Atomlage wird eine Schlüsselfunktion in der modernen Nano- und Werkstofftechnologie zugewiesen. Graphen leitet den elektrischen Strom um ein Vielfaches besser als der derzeit beste metallische Leiter, es absorbiert nur 2,7% des eingestrahlten Lichtes und die Bruchfestigkeit ist über 30-mal höher als von Kevlar. Neben Graphen wurden inzwischen zahlreiche weitere 2-dimensionale (2D-) Materialien synthetisiert, u.a. Isolatoren wie hexagonales Bornitrid (hBN) oder Halbleiter wie z.B. Molybdändisulfid (MoS2) oder Wolframdisulfid (WS2). Attraktiv an den 2D-Materialien sind u.a. die geringe Dicke von unter einem Nanometer, die hohe Festigkeit bei gleichzeitiger Flexibilität, sowie die Möglichkeit verschiedene Materialklassen in Heterostrukturen zu kombinieren und damit neuartige funktionale Bauelemente zu realisieren. Eine große Herausforderung für den Transfer in industrielle Anwendungen ist allerdings die Skalierbarkeit von Herstellung, Prozessierung und Bauelementdesign.

Unser Forschungsgebiet umfasst die Herstellung von Graphen auf unterschiedlichen Substraten mit bis zu 4 Zoll Durchmesser und dessen Einbindung in neuartige Bauelement-Architekturen. Dabei stehen Anwendungen als transparente Elektrode in Lichtemittern sowie als Kanalmaterial in Photoleitern oder Phototransistoren im Mittelpunkt unseres Interesses. Ergänzt werden die Forschungsarbeiten durch Untersuchungen an großflächigen Übergangsmetall-Dichalkogeniden. Dies besitzen im Gegensatz zu Graphen eine endliche Bandlücke und weisen damit Anwendungspotential als aktives Material in der Optoelektronik auf. In verschiedenen kooperativen Projekten mit akademischen und industriellen Partnern optimieren wir die Herstellungsprozesse, betten die 2D-Halbleiter in Bauelement-Architekturen ein und nutzen sie z.B. als ultradünne und flexible Lichtemitter und Photodetektoren.

Reduziert man die Größe von Festkörpern auf Dimensionen im Nanometerbereich, ändern sich die Materialeigenschaften fundamental: Oberflächen und Grenzflächen sind entscheidend für die Funktionalität und elektronische Eigenschaften müssen teilweise quantenmechanisch beschrieben werden. Dies beeinflusst u.a. die Energiekonversion in Leuchtdioden, Solarzellen, thermoelektrischen Generatoren oder Katalysatoren. Um ein Verständnis der zugrunde liegenden mikroskopischen Prozesse zu entwickeln und damit letztlich die Materialien für definierte Anwendungen maßzuschneidern, bedarf es einer detaillierten Analyse der Materialien auf einer Nanometerskala.

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. In Zusammenarbeit mit unterschiedlichsten Projektpartnern aus dem In- und Ausland nutzen wir diese Vielfalt in der Nanoanalytik, um die Funktionsweise von Metalloxid-Katalysatoren aufzuschlüsseln, lokale optische Eigenschaften von Mikro-LEDs aufzuklären oder elektrische und thermische Leitfähigkeit in nanoskaligen Thermoelektrika zu korrelieren.

Nanoskalige Materialien eröffnen einen Zugang zu neuartigen Quantentechnologien, in denen quantenmechanische Eigenschaften von Elektronen oder Photonen z.B. für die Informationsverarbeitung, die Informationsübertragung, oder die Informationsspeicherung ausgenutzt werden. So können beispielsweise einzelne, kolloidale Nanokristalle als Quantenemitter eingesetzt werden oder durch das gezielte Einbringen von Übergangsmetallen in eine nanoskalige Festkörpermatrix magnetische und elektrische Eigenschaften gekoppelt werden. Letzteres ermöglicht u.a. die Nutzung der quantenmechanischen Eigenschaft ‚Spin’ von Ladungsträgern zur Darstellung von Information. Diese Zukunftstechnologien erfordern einerseits eine definierte Herstellung maßgeschneiderter Nanomaterialien mit geeigneter Dotierung und andererseits die Entwicklung experimenteller Techniken, um deren optische und magnetische Eigenschaften auf einer Nanometerskala zu studieren.

Wir widmen uns dem Ziel, elektronische, optische und magnetische Funktionalität in neuartigen Nanomaterialien zu kombinieren und deren Anwendungspotenzial für Quantentechnologien auszuloten. Zum einen werden magnetisch dotierte Halbleiter- Nanostrukturen (Quantenpunkte, Nanocluster, magnetische 2D-Materialien) untersucht mit der Intention, Ladungsträgerspins über die magnetischen Dotieratome zu beeinflussen und – vice versa – durch optische bzw. elektrische Stimulation den Magnetismus zu kontrollieren. Zum anderen erforschen wir einzelne Nanokristalle um deren Emissionseigenschaften mit Blick auf Anwendungen als Quantenemitter zu verstehen. Die Arbeiten erfolgen in Kooperation mit zahlreichen internationalen Partnern.