Advanced Thin Film Technology

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1 Dünne Schichten Advanced Thin Film Technology Fachbereich 11, Materialwissenschaft

2 Dünne Schichten Advanced Thin Film Technology Forschung Research Das Fachgebiet Dünne Schichten arbeitet an der Entwicklung moderner Methoden der Dünnschichttechnologie und ihren Anwendungen. Neben klassischen Methoden wie Magnetronsputtern beschäftigt sich die Gruppe von Prof. Dr. Lambert Alff mit gepulster Laserdeposition (PLD) und reaktiver Molekularstrahlepitaxie (MBE). Dabei kommen sowohl im Fall der PLD als auch der MBE neueste Methoden zum Einsatz. Im Falle der PLD sind dies Hochdruck-RHEED, Laserheizung, Laserstrahloptiken und online-laserenergie-messung. Im Bereich MBE wird derzeit in Zusammenarbeit mit dem MaxPlanck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart im Rahmen eines Gemeinschaftslabors an der TU Darmstadt eine weltweit einzigartige Anlage für Advanced Oxide-MBE (ADOMBE) aufgebaut. Dieses System erlaubt den in-situ Einsatz von bis zu 24 Elementen in 6 Elektronenstrahlverdampfern und 4 Effusionszellen. Die Stöchiometrie kann mit Hilfe der neuesten Generation von EIES-Systemen simultan kontrolliert werden. Außerdem erlaubt die neue ADOMBE-Anlage den Einsatz von Sauerstoffradikalen zur Herstellung von Oxiden in einem bisher unerreichten Druckbereich von unter einem millionsten Millibar. The Alff-group works on advanced thin film deposition methods and their applications. Besides standard magnetron sputtering, we concentrate on advanced pulsed laser deposition (PLD) and advanced oxide molecular beam epitaxy (ADOMBE). Our PLD system is equipped with the most advanced methods as highpressure RHEED at 50 kev, fast laser heating of the substrates, special laser beam optics and online laser energy measurement. In a joint lab with Max-Planck-Institute for Solid State Research (Stuttgart), at the campus of TU Darmstadt a worldwide unique ADOMBE system is being set up. It allows for the use of 24 elements without breaking the vacuum, boasts with 6 electron beam evaporators and 4 effusion cells that can be operated simultaneously while at the same also the stoichiometry of all elements can be controlled by the newest generation of EIESsystems. Furthermore, our ADOMBE system allows sample oxidation in a so far unrivalled oxygen partial pressure region below one millionth part of a millibar. Ultimatives Ziel der Forschung am Fachgebiet Dünne Schichten ist die Herstellung neuer Dünnschichtmaterie, insbesondere im Bereich funktionaler Oxide wie Hochtemperatur-Supraleiter und magnetischer Oxide für die Spintronik. In jüngster Zeit beschäftigt sich die Gruppe auch mit di- und ferroelektrischen Materialien ( high-k Materialien), aber auch mit Multiferroika. Die modernen Dünnschichtmethoden erlauben außerdem die Herstellung von künstlichen Heterostrukturen im atomaren Bereich, mit denen einerseits ganze neue Materialien designed, andererseits aber auch neuartige Bauelemente im Rahmen der entstehenden Oxid-Elektronik entworfen werden können. The ultimative goal of research within the Alff-group is the design of novel thin film matter, in particular in the field of functional oxides as high-temperature superconductors and magnetic oxides for spintronics. Recently, the group started to work on di- and ferroelectrics (high-k materials), but also multiferroics. The advanced thin film technology allows the design of heterostructures down to the atomic level. Such artificial structures are completely new materials, and also form the base of novel devices of emerging oxide electronics.

3 Hochtemperatur-Supraleiter High-temperature superconductivity Hochtemperatur-Supraleiter (HTSL) sind Materialien, in denen elektrischer Strom bei Temperaturen oberhalb des Siedepunktes von flüssigem Stickstoff (77 Kelvin oder -195 C) verlustfrei fließen kann. Das Phänomen der Supraleitung beruht auf der Quantenmechanik man bezeichnet Supraleiter daher auch als makroskopische Quantensysteme. Das faszinierende an Hochtemperatur-Supraleitern ist einerseits, dass sie extrem spannende und bislang auch nicht vollständig verstandene physikalische Materialeigenschaften aufweisen, andererseits aber auch ein enormes Anwendungspotenzial besitzen. High-temperature superconductors (HTS) are materials that conduct current without resistance at temperatures above the boiling temperature of liquid nitrogen (77 Kelvin or -195 C). The phenomenon of superconductivity is based on quantum mechanics therefore, superconductors are often termed macroscopic quantum systems. There are two fascinating aspects about high-temperature superconductors: First, they have extremely interesting physical materials properties which until now are not fully understood. Second, they have an enormous potential for applications. Schwebender Magent über einem Hochtemperatur - Supraleiter. Levitated magnet above a high-temperature superconductor. Dünnschichtsysteme sind ein wichtiger Bestandteil der Forschung im Bereich Hochtemperatur-Supraleiter, z.b. bei der Entwicklung von sogenannten SQUIDs (supraleitenden Quanteninterferenzbauteilen). SQUIDs bestehen aus einer supraleitenden Ringstruktur, die an ein oder zwei Stellen durch Tunnelbarrieren unterbrochen ist, den JosephsonKontakten. Diese Bauteile sind die empfindlichsten Magnetfeldsensoren, die es gibt (sie können Ihre Hirnströme beim Lesen dieses Textes messen ), und finden derzeit Anwendungen z.b. im Bereich der Medizintechnik und der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung. In unserem Fachgebiet konzentrieren wir uns auf die Entwicklung neuer Hochtemperatur-Supraleiter mittels Dünnschichttechnologie und auf einfache supraleitende Elektronik-Bauteile. Ein ultimativer Traum ist natürlich ein RaumtemperaturSupraleiter T -Struktur Elektron-dotierter Hochtemperatur-Supraleiter. Oberfläche einer dünnen Schicht eines wasser-interkalierten Natrium-Kobaltat-Supraleiters. Thin film surface of a water-intercalated sodium-cobaltate superconductor. Thin film systems are an important part of research on hightemperature superconductors, e.g. in the development of socalled SQUIDs (superconducting quantum interference devices). SQUIDs consist of a superconducting ring-structure intercepted by one or two tunnelling barriers (called Josepshon junctions). These devices are the most sensitive magnetic field sensors available (they can measure your brain currents when you are reading this ). Applications are for example in the fields of medical technology and non-destructive testing of materials. Our group concentrates on the development of new high-temperature superconductors using advanced thin film technology, and on simple superconducting devices. An ultimate dream, of course, is a roomtemperature superconductor T -structure of electron doped cuprates.

4 Magnetismus, magnetische Materialien und Spintronik Im Unterschied zu konventioneller Elektronik, die auf der Ladung von Elektronen beruht, möchte man im Rahmen der Spintronik Ladung und Spin des Elektrons nutzen. Prinzipiell können Spintronikbauteile schneller arbeiten als Bauteile in konventioneller Elektronik und dabei gleichzeitig deutlich weniger Energie verbrauchen. Eine Forschungsleitidee der Spintronik ist die Entwicklung eines nicht-flüchtigen magnetoresistiven Speichers mit wahlfreiem Zugriff (MRAM). Durch diese Technik könnten in Zukunft langsamer Festplattenspeicher und schneller (aber flüchtiger) Arbeitsspeicher in unseren Computern vereint werden. Das kommerziell erfolgreichste Beispiel der Spintronik ist der GMR (giant magneto-resistive)-effekt, der in Magnetfeldsensoren in Festplatten und in der Automobilindustrie eingesetzt wird und für den 2007 der Nobelpreis für Physik an Peter Grünberg und Albert Fert vergeben wurde. Unsere Gruppe arbeitet im Rahmen der Spintronik an neuen Materialien, die optimierte Eigenschaften für spinelektronische Bauelemente aufweisen. Momentan sind Doppelperowskite mit hoher Curie-Temperatur und 100%iger Spinpolarisation der Ladungsträger im Fokus unserer Forschung. Wesentlicher Bestandteil der Spintronik ist der Einsatz von fortgeschrittenen Dünnschichttechnologien, die sowohl für neue Bauelemente, als auch für die Materialentwicklung selbst eingesetzt werden können. Magnetism, magnetic materials and spintronics In contrast to conventional electronics which relies on the charge of electrons, spintronics intends to use charge and spin of the electron. In principle, spintronics devices can be faster than conventional devices and at the same time, they can also be clearly more energy effective. A central vision of spintronics is the development of a non-volatile magneto-resistive random access memory (MRAM) device. This technique could combine in future slow hard disc memory and fast, but volatile, working memory in our computers. The commercially most successful example of spintronics is the GMR (giant magneto-resistive)-effect, that is now being used in magnetic field sensors in hard discs and in the automotive industry. Peter Grünberg and Albert Fert received in 2007 the nobel prize in physics for the discovery of the GMR-effect. Within the field of spintronics, our group works on the development of new materials with optimized properties for spintronics devices. Currently, double perovskites with high Curie-temperature and 100% spin polarization of the charge carriers are in the focus of our research. A central constituent of spintronics is advanced thin film technology that can be used for device fabrication and design of novel thin film matter. Spintronik-Bauteil: Nicht-flüchtiger Speicher und Transistor. Spintronics device: non-volatile memory and transistor. Forschungsprojekte Struktur eines Doppelperowskits. Structure of a double perovskite. Research projects Graduate School of Materials and Electronics (Matronics), L. Alff, H. von Seggern. Ministry of the State of Hessen ( ). Superconductivity in water intercalated Na x CoO 2 thin films. DFG ( ). Doped SrTiO 3 thin films for microwave applications. DFG-Research Training Group 1037 on Tunable Integrated Components in Microwave Technology and Optics (TICMO) ( ). Multiferroic thin films for microwave applications. DFG-Research Training Group 1037 on Tunable Integrated Components in Microwave Technology and Optics (TICMO) ( ). Advanced Oxide MBE (ADOMBE), L. Alff, B. Keimer. Joint project: Max-Planck-Institute of Solid State Research in Stuttgart / TU Darmstadt ( ). Symmetry of the order parameter and pseudogap behavior in electron-doped cuprates. DFG Research Unit 538 on the Doping dependence of phase transitions and ordering phenomena in cuprate superconductors ( ). Novel leadfree ferroelectric thin films. LOEWE-Zentrum Adaptronik: Research, Innovation and Application ( ). Transparent functional materials by MBE. LOEWE-Zentrum Adaptronik: Research, Innovation and Application ( ). Electron doped cuprates. DFG ( ).

5 Dienstleistungen Services SQUID-Magnetometer Magnetische Probeneigenschaften im Temperaturbereich von 1.7 Kelvin bis 800 Kelvin, Magnetisierung, acsuszeptibilität, Hystereseverhalten, magnetisches Schaltverhalten. Magnetkryostaten Messung von elektrischen Transporteigenschaften in hohen Magnetfeldern (bis 16 Tesla) und bei extrem niedrigen Temperaturen (300 mk). Dünnschichtsysteme Wenn es eine dünne Schicht sein soll, dann können wir sie wachsen: von Magnetron-Sputtern über gepulste Laserdeposition (PLD) bis zur reaktiven Molekularstrahlepitaxie (MBE). Röntgendiffraktometrie Material- und Kristallstrukturbestimmung, Reflektometrie. Hochauflösendes Rastertunnelmikroskop (HREM) mit EDX Auflösungsgrenze im Bereich einiger Nanometer, Elementbestimmung mittels EDX. SQUID magnetometer Magnetic sample properties in the temperature range from 1.7 K to 800 K, magnetization, ac-susceptibility, hysteresisbehavior, magnetic switching. Magnet cryostats Measurement of electrical transport properties in high fields (up to 16 Tesla) and at extremely low temperatures (300 mk). Advanced thin film technology If it is a film, we can grow it. Magnetron sputtering, advanced pulsed laser deposition (PLD), advanced oxide molecular beam epitaxy (ADOMBE). X-ray diffractometry material and crystal structure determination, reflectometry. High-resolution scanning electron microscopy (HRSEM) with EDX Resolution limit in the range of several nanometers, element analysis by EDX.

6 Prof. Dr. Lambert Alff Gebäude L2 01 Petersenstraße Darmstadt Sekretariat Tel: Fax: Cover: Geburt einer dünnen Schicht aus einem glühenden Plasma. Cover: Birth of a thin film out of a glowing plasma Tel: Fax: Marion Bracke