Wissenschaftliche Einrichtungen

 
 
Stuttgart Center for Electron Microscopy<br />(Peter A. van Aken)


Das Stuttgarter Zentrum für Elektronenmikroskopie (StEM) unter der Leitung von Peter A. van Aken ist für die Materialcharakterisierung am Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung von besonderer Bedeutung. Das StEM verfügt über hervorragende Fachkenntnisse auf den Gebieten der Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), der Rasterelektronenmikroskopie (REM), der Anwendung fokussierter Ionenstrahlen (FIB) sowie der Methodenentwicklung. Das StEM unterstützt alle Institutsabteilungen und stellt Forschern hochauflösende elektronenmikroskopische Instrumente zur Verfügung, die auf dem neuesten Stand der Technik sind. So können herausfordernde Charakterisierungsprobleme in Materialien mit höchster räumlicher und energetischer Auflösung gelöst werden. Dies schafft einen Forschungsort, an dem Forscher verschiedener Disziplinen interagieren und Kooperationen entwickeln können.

Das übergeordnete Ziel der Forschung des StEM zur Unterstützung der wissenschaftlichen Mission des Instituts ist die Bereitstellung präziser und quantitativer Materialdaten auf atomarer Ebene, mit dem Ziel, die Materialsynthese für optimale Materialeigenschaften zu optimieren. Dies wird durch eine Kombination aus sehr präzisen elektronenmikroskopischen Messungen erreicht, welche gegebenenfalls durch Computermodellierung sowie durch methodische Weiterentwicklungen ergänzt wird. Im StEM werden ständig die methodischen Möglichkeiten durch Nutzung der jüngsten technologischen Entwicklungen, wie Monochromatoren, Aberrationskorrektoren, Energiefilter und schnelle direkte Elektronen­detektoren erweitert. Dadurch ist es möglich, die Strategie zur Beantwortung aktueller Fragestellungen der Materialphysik und -chemie immer mehr zu optimieren.

Das StEM verfügt derzeit über sechs TEMs, darunter zwei aberrationskorrigierte Geräte vom Typ JEOL ARM200F, welche dem neuesten Stand der Technik entsprechen, und das einzigartige Zeiss SESAM für hochauflösende analytische und bildgebende Arbeiten. Die Gruppe betreibt auch ein REM und ein FIB/REM sowie fortschrittliche Labors für die sehr aufwändige Präparation von TEM-Proben aus einer Vielzahl von Materialien. Erst kürzlich hat die Max-Planck-Gesellschaft einen Großgeräteantrag für die Anschaffung eines neuen TEMs bewilligt, mit welchem atomare Auflösung und höchste Energieauflösung bei unterschiedlichsten Umgebungsbedingungen möglich sein wird.

Die Forschung und Dienstleistungen des StEM konzentrieren sich auf die Charakterisierung von Grenzflächen, funktionellen komplexen Oxidheterostrukturen, verspannten Halbleitern, nanostrukturierten Dünnfilmen, Nanopartikeln und Nanomaterialien sowie Molekülen auf 2D-Materialien, einschließlich ihrer strukturellen, magnetischen, elektronischen und optischen Eigenschaften, alles auf atomarer Ebene. Das Ziel des StEM ist die Vertiefung des Verständnisses der atomaren und elektronischen Struktur von Materialien sowie deren Bezug zur Funktionalität und Eigenschaft.

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Computer Service (Armin Burkhardt)


Die Wissenschaftliche Einrichtung Computerservice betreibt die zentralen Server des Instituts, wie Mail-, Druck-, Software-, Backup- und Web-Server, sowie Linux-basierte Abteilungs-Dateiserver, die auf ein gemeinsames zentrales Speichernetzwerk (SAN) zugreifen, dessen Datenbereiche mittels RAID6 mehrfach redundant ausgelegt sind. Die Daten im SAN werden täglich mithilfe von IBM Spectrum Protect (ehemals Tivoli Storage Manager) Backup- und Archivdienstes gesichert. Derzeit beträgt das Volumen der so gesicherten Daten 540 TB, davon sind 140 TB Archivdaten. Die Kapazität des Speichernetzes wurde 2017 auf 800 TB erweitert, um die Langzeitspeicherung wissenschaftlicher Daten nach den Regeln guter wissenschaftlicher Praxis zu gewährleisten. Etwa 750 PC-basierte Arbeits- und Messplätze, die zu 75% unter Windows, zu 20% Linux und zu einem kleinen Prozentsatz unter MacOS X arbeiten, werden betreut und bei Bedarf erneuert.

2014 wurde ein großer Rechencluster für die neue Theorie-Abteilung Alavi projektiert, installiert und in Betrieb genommen, 2017 ein weiterer an der MP-CDF gehosteter Rechencluster, der dort mit Grundwasser gekühlt wird. Desweiteren wurde 2016 ein General-Purpose-Rechencluster für die experimentellen Abteilungen des Instituts aufgebaut, der deren Rechenbedarfe abdeckt. Der Stromverbrauch für das wissenschaftliche Hochleistungsrechnen (HPC) am Institut stieg durch diese Maßnahmen wieder auf 90 kW an. Zeitgleich wurden die Serverräume 6B13 (Infrastruktur) und 2E2 (HPC, Netzwerk) durch die Einführung wassergekühlter Racks auf Energieeffizienz getrimmt. Das Kühlwasser stammt aus der 1,3 MW-Kälteanlage des Hauses, es wird Prozesskühlwasser mit einer Temperaturspreizung von 17/23°C verwendet, wodurch an 8 Monaten im Jahr eine freie Kühlung möglich ist.

Insgesamt stehen den HPC-Anwendern des Instituts nach all den genannten Umbauten und Erweiterungen 10332 Rechenkerne und insgesamt 60 TB Hauptspeicher zur Verfügung, beide Werte haben sich im Berichtszeitraum verfünffacht.

Im Rahmen eines MPG-internen Pilotprojekts wurden eine dedizierte Glasfaser-Verbindung zwischen Stuttgart und der MP-CDF in Garching geschaltet. Diese wird für ein verteiltes gemeinsames GPFS-Dateisystem genutzt, auf welches die Rechencluster der Abteilung Alavi direkt zugreifen können, unabhängig davon, an welchem Standort die insgesamt 1,5 PB großen Speichersysteme aufgestellt sind.

Die den Xen-virtualisierten IT-Diensten zugrunde liegende Speicherarchitektur wurde auf CEPH migriert und erlaubt es nun die Dienste frei auf 3 Lokationen im Hauptgebäude und im Präzisionslabor zu verteilen und im Betrieb zu verschieben um höchste Verfügbarkeit zu gewährleisten.

2016 und 2017 lag ein Schwerpunkt der Arbeit der IT-Gruppe auf der weiteren Absicherung des Institutsnetzwerks durch Austausch der Institutsfirewalls und der VPN-Zugänge zu den Instituts-, Labor- und Präzisionslabor-Netzwerken, der Einführung eines Intrusion-Detection-Systems sowie der Unterstützung von Mitarbeitern beim Umgang mit IT-gestützten Angriffen, deren Intensität in den letzten Jahren erheblich zunahm. Vor diesem Hintergrund ist die IT-Gruppe aktuell dabei mit externer Unterstützung ein Identity Management-System einzuführen, das trotz Beibehaltung betriebssystemübergreifender Standards wie OpenLDAP auch durch eine Active-Directory-Impementierung die Integration der Windows-Betriebssystemwelt verbessert und die feingranulare Vergabe von Benutzerrechten im Institut ermöglicht und damit einigen verbreiteten Angriffszenarien vorbeugt.

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X-Ray Diffraction (Robert Dinnebier)


Die Wissenschaftliche Einrichtung Röntgenographie führt Röntgenbeugungsmessungen an Pulvern im Labor, an Synchrotron- und Neutronenquellen unter Umgebungs- und Nicht-Umgebungsbedingungen durch. Forschung innerhalb der Gruppe bezieht sich maßgeblich auf die Bestimmung von Kristallstrukturen und mikrostrukturellen Eigenschaften (Strain, Domänengröße, qualitative und quantitative Analyse von Stapelfehlern) von kristallinen Festkörpern aus Röntenbeugungsdaten an Pulvern. Zusätzlich werden methodische Entwicklungen auf diesem Gebiet vorangetrieben. Wissenschaftliche Kooperationen auf allen Gebieten der routinemäßigen und nicht-routinemäßigen Analyse von Röntgenbeugungsdaten an Pulvern werden angeboten, insbesondere bei der Lösung und Verfeinerung von Kristallstrukturen. Längerfristige Forschungsprojekte beschäftigen sich mit der Struktur-Eigenschaftsbeziehungen funktionaler Materialien (z. B. thermochrome-, photochrome-, elektronische und magnetische Materialien, Baustoffe, "springende Kristalle"), der Strukturaufklärung und der Charakterisierung von Korrosionsphasen historischer Objekten im Hinblick auf die Entwicklung passender Konservierungsstrategien. Weiterhin werden fehlgeordnete und naostruckturierte Materialien mittels Röntgenbeugungsmethoden und der Paarverteilungsfunktions (PDF) Analyse eingehend untersucht, z. B. semikristalline und amorphe Polymere oder Pharmazeutika. Die Gruppe untersucht weiterhin Phasenbildungs- und Umwandlungsmechanismen mittels in-situ Röntgenbeugungsexperimenten unter anderem während der konventionellen lösungsmittelbasierenden oder der mechanochemischen Synthese von funktionellen Materialen oder während Ladung von Gasen in metall-organischen Raumnetzstrukturen (MOFs) etc. Es werden regelmäßig Vorlesungen und Workshops zu kristallographischen Themen angeboten und Lehrbücher verfasst.

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Information Service CPT<br />(Robin Haunschild/Thomas Scheidsteger)


Die zentrale Informationsvermittlungsstelle für die Institute der chemisch-physikalisch-technischen Sektion (IVS-CPT) der MPG bietet deren Wissenschaftlern die Möglichkeit, Datenbankrecherchen durchführen zu lassen, die für sie selbst zu aufwendig oder zu komplex sind, oder Daten zu recherchieren, auf die sie keinen Zugriff haben. Im Vordergrund stehen dabei die fachspezifischen Literatur- und Patent-Datenbanken sowie die bei Web of Science und Scopus angebotenen fachübergreifenden Zitationsdatenbanken. Die Erstellung von Zitationsanalysen im Rahmen der Forschungsbewertung ist ein wichtiges Betätigungsfeld der IVS-CPT geworden. Die Ermittlung aussagekräftiger Indikatoren und die angemessene Interpretation solcher Daten bedarf einiger Erfahrung und fundierter Hintergrundinformation. Deshalb beteiligen sich die Mitarbeiter der IVS-CPT an diversen Forschungsprojekten und publizieren auf den stark wachsenden Gebieten der Bibliometrie und  Altmetrie.

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Crystal Growth (Masahiko Isobe)


Die Wissenschaftliche Einrichtung Kristallzucht setzt ihre Schwerpunkte auf die Anwendung, die Verbesserung und die Neuentwicklung von Techniken zum Wachsen von großen und qualitativ hochwertigen Kristallen aus Schmelzen, Lösungen oder aus der Gasphase. Dabei finden folgende Methoden Anwendung, die Traveling Solvent Floating Zone Methode, Wachstum aus der Lösung mit Flussmittel oder Keim an der Oberfläche, Gasphasentransport, Bridgman, Czochralski und Wachstum unter hydrothermalen Bedingungen. Unvermindertes Interesse besteht an den Cuprat-Supraleitern, u. a. an REBa2Cu3O7-d (RE = Seltenerd-Element), YBa2Cu4O8,Bi2Sr2Can-1CunO2+4n+d. (n = 1,2,3) und Bi2Sr2-xLaxCuO6. Beispielsweise wird in einlagigem Bi2Sr2-xLaxCuO6 bei parallel zu den Ebenen angelegtem Feld oberhalb des supraleitenden Bereichs eine Ladungsdichtewelle induziert. Einkristalle von Fe-basierten Supraleitern wurden mit einer modifizierten Flussmethode erzeugt. Es stellte sich heraus, dass mit Co dotiertes KFeCoAs2 und die Mutterverbindung BaFe2As2 isoelektronisch sind. Durch die Dotierung von BaFe2As2 mit Mn treten strukturelle magnetische Fluktuationen auf. Qualitativ hochwertige Kristalle des topologischen Supraleiters CuxBi2Se3 (x ≈ 0,8, 1,0, 1,2 and 1,5) wurden mit einer modifizierten Bridgman-Methode erhalten. Magnetische und elektrische Transport-Messungen an Cu0.10Bi2Se3 Einkristallen zeigten einen deutlichen Peak-Effekt. Einkristalle der hybriden organisch-anorganischen Perovskite CH3NH3PbX3, die in Solarzellen Anwendung finden, wurden mit Halogenwasserstoffen aus Lösung erzeugt. Ein weiterer Forschungshöhepunkt ist das hydrothermale Wachstum von (Li1−xFex)OHFeSe (11111). In Zusammenarbeit mit der Abteilung Takagi wurde damit begonnen, Kristalle unter hohem Druck wachsen zu lassen. Dazu wurden neuartige Hochdruckzellen entwickelt. Schließlich richtet sich unser Augenmerk auf die Suche nach neuen interessanten Materialien für Festkörperphysik und -chemie, die sich für die Kristallzucht eignen.

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Chemical Service (Reinhard Kremer)


Zur Unterstützung aller experimentell arbeitenden Gruppen des Instituts entwickelt die Wissenschaftliche Einrichtung Chemieservice experimentelle Messmöglichkeiten und Messaufbauten und führt die Experimente zur Charakterisierung der elektrischen und magnetischen Eigenschaften neuer Materialien routinemäßig durch. Diese Aufgabenstellung erfordert Vielseitigkeit und Eingehen auf neue Fragestellungen sowie eine dezidierte Pflege und Weiterentwicklung der eingesetzten experimentellen Methoden, welche insbesondere auch Experimente an empfindlichen, reaktiven und kleinen Proben unter Inertbedingungen erlauben. Derzeit stehen SQUID Magnetometer, ac-Suszeptometer bis zu 0,3 K und Magnetfeldern bis zu 12 Tesla, eine selbstgebaute Apparatur zur kontaktlosen Messung der Mikrowellenleitfähigkeit, ac- und dc-Widerstandsmessplätze sowie Kalorimetermessplätze in Magnetfeldern bis zu 12 Tesla und Temperaturen bis zu 0,3 K zur Verfügung. Bei den zurzeit im eigenen Forschungsschwerpunkt untersuchten Materialien handelt es sich um neue unkonventionelle Supraleiter, niedrigdimensionale Quantenspinsysteme mit ungewöhnlichen Grundzuständen und neue magnetoresistive Materialen.

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Thin Film Technology (Gennady Logvenov)


Die Wissenschaftliche Einrichtung Dünnschichttechnologie entwickelt Verfahren zur Herstellung komplexer epitaktisch gewachsener Schichten mit der Präzision einzelner Atomlagen. Unter Verwendung von Laserdeposition (PLD), Oxid-Molekularstrahlepitaxie (MBE) und reaktivem Sputtern stellen wir dünne Schichten, Multilagen und Übergitter verschiedener komplexer Oxide, u.a. Kuprate, Manganate, Nickelate, Cobaltate und Ruthenate her. Die Kombination dieser Methoden erlaubt es uns neuartige Heterosysteme zu synthetisieren und zu untersuchen, wobei das Ziel einer atomgenauen Kontrolle der Defekte angestrebt wird. Wichtige Aspekte betreffen die Physik oxidischer Materialien und ihrer Grenzflächen. Neuartige Quantenzustände können durch die präzise Kontrolle des Wachstums an der Grenzfläche realisiert werden. Das Ziel unserer Forschung ist es durch die Optimierung des Wachstumsprozesses neue metastabile Verbindungen und funktionale Grenzflächen mit maßgeschneiderten Eigenschaften zu entwickeln. Diese Forschung wird in enger Kooperation mit den wissenschaftlichen Abteilungen, insbesondere mit den Abteilungen Keimer, Maier und Mannhart, durchgeführt. Zusätzlich zum PLD- und MBE-Verfahren bietet die Gruppe die Herstellung dünner Schichten und Schichtsysteme durch Aufdampf- und Sputtertechniken als Serviceleistung an, wobei die Bandbreite der Materialien von Metallen (Au, Pt, Ti, Cr …) bis zu Isolatoren (SiOx, TiO2, Al2O3 …) reicht. Darüber hinaus stehen wichtige technologische Verfahren wie z. B. optische Mikrolithographie, trockenchemische Ätzverfahren und Ultraschall-Kontaktiertechniken zur Verfügung.

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Interface Analysis (Ulrich Starke)


In der Wissenschaftlichen Einrichtung Grenzflächenanalytik wird die atomare und elektronische Struktur der inneren Grenzflächen und Oberflächen von Festkörpern untersucht. Unter Verwendung von Elektronenspektroskopie und -beugung, Rastersondenmikroskopie und Sekundärionen-Massenspektrometrie werden die atomare Geometrie und Morphologie, die chemische Zusammensetzung und Bindungsverhältnisse sowie die elektronische Struktur an der Probenoberfläche und in ihrer unmittelbaren Umgebung analysiert. Zugang zu dünnen Filmen und vergrabenen Grenzschichten findet man mittels Sputtertechniken und Spaltmethoden. Zur experimentellen Ausstattung gehört ein Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometer (TOF-SIMS) zur quantitativen chemischen Analyse und Profilierung. Chemische und elektronische Eigenschaften werden mittels eines Elektronenspektrometers mit hoher Energie- und Winkelauflösung über die Photoemission aus Rumpfniveaus und Valenzbändern (XPS, ARPES) untersucht. Die kristallographische Struktur und Position einzelner Atome wird mit dem Rastertunnelmikroskop und der quantitativen Analyse der Beugung langsamer Elektronen (LEED) ermittelt. Die Probenmorphologie wird mit einem Rasterkraftmikroskop und einem Weißlichtinterferometer analysiert. Die Forschungsaktivitäten der Gruppe richten sich auf das Wachstum und die Analyse von Oberflächen und dünnen Filmen neuartiger Materialien, darunter Graphen, Halbleiter mit großer Bandlücke, oxidische Multischichten, sowie epitaktische Metallfilme. Materialwachstum, Grenzflächeneigenschaften, molekulare Adsorbate und Metallisierung werden auf atomarer Skala untersucht, um ein detailliertes Verständnis der fundamentalen Wechselwirkungen beim Wachstum zu gewinnen. Insbesondere werden die Eigenschaften atomar dünner Graphenlagen auf Siliziumkarbidproben (SiC) und Metalloberflächen untersucht. Quasifreistehende und großflächig homogene epitaktische Graphenfilme können auf SiC hergestellt werden. Deren elektronische Struktur wird auf atomarer Skala durch Transferdotierung und atomarer Interkalation maßgeschneidert und mittels ARPES analysiert. Für die Untersuchung der elektronischen Struktur, sowie der chemischen Zusammensetzung auf mikroskopischer Skala steht ein Photoemissionselektronenmikroskop (PEEM) zur Verfügung. Für weitere wissenschaftliche Untersuchungen nutzt die Gruppe Strahlzeiten an diversen Elektronensynchrotron-Einrichtungen.

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Nanostructuring Lab (Jürgen Weis)


Im Jahr 2011 wurde der 1988 erbaute Reinraum – zuvor eine Einrichtung der Abteilung v. Klitzing – ein zentraler Teil der neu installierten Wissenschaftlichen Einrichtung Nanostrukturlabor. Im Rahmen dieser Umstrukturierung wurde in den letzten Jahren ein Großteil der Infrastruktur im Reinraum unter Einsatz erheblicher finanzieller MPG-Mittel erneuert bzw. ergänzt. Weitere MPG-Mittel wurden 2018 für die folgenden 4 Jahre bewilligt.

Studenten des Institutes und Reinraumpersonal prozessieren unter Staubfreiheitsklasse 10, stabiler Raumtemperatur und -feuchte Proben mittels optischer Photolithographie, führen nass- und trockenchemischer Ätzprozesse durch, deponieren bzw. wachsen Material unter Vakuum. Zur Herstellung von Strukturen bis unter 10 nm stehen zwei komplementäre Anlagen zur Elektronenstrahl-Lithographie mit insgesamt Beschleunigungsspannungen von 0,1 kV bis 100 kV zur Verfügung. Ein fokussierter Ionenstrahl erlaubt unter elektronenmikroskopischer Sicht das Schneiden und Formen von Proben. Zwei Rasterelektronenmikroskope der neusten Generation stehen als Charakterisierungswerkzeug den Studenten zur Verfügung, ausgestattet mit den Analysetechniken EBIC, EDX, EBSD, sowie ab 06/2020 mit einem Rastersondenmikroskop in der REM-Kammer.

Die Infrastruktur zeichnet sich dadurch aus, dass sie von einer Vielzahl von Studenten (Raith eLine derzeit etwa 30, Zeiss Merlin etwa 70) parallel genutzt wird, vielfältige Materialien prozessiert werden können, wobei Querverunreinigungen minimiert werden, und neben 4-Zoll-Scheiben vor allem kleine Probenstücke (typ. 5 mm auf 5 mm) handhabbar sind.

Die Prozessierungs- und Charakterisierungsmöglichkeiten werden kontinuierlich verbessert und ausgebaut. Insbesondere werden derzeit Möglichkeiten geschaffen, unter Ausschluss von Luftfeuchte und Sauerstoff Materialien zu Bauelementen zu formen.

Jürgen Weis betreut zusätzlich eine kleine wissenschaftliche Gruppe, die im Präzisionslabor insbesondere ein Rastersondenmikroskop entwickelt und betreibt, in dem ein Array von Einzelelktronentransistoren - eingesetzt als lokale Elektrometer – die Hall-Potential-Landschaft und damit die Stromverteilung in Quanten-Hall-Proben bei Temperaturen unter 40 mK vermisst. Mittels eines selbst entwickelten Hall-Sensors lassen sich seit 2019 Stromverteilung direkt über deren Magnetfelder vermessen.

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