IFW Forschungsprogramm

Die Mission des IFW besteht darin, Grundlagenforschung und anwendungsorientierte Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der Festkörper und Werkstoffe zu betreiben. Kernelemente der Forschungsaktivitäten sind experimentelle und theoretische Untersuchungen von Phänomenen, die sich auf der Ebene von Elektronen, Atomen, Molekülen und Nanostrukturen abspielen. Die Arbeiten reichen von der Charakterisierung physikalischer und chemischer Materialeigenschaften bis hin zur Entwicklung neuer Materialien und elektronischer Bauelemente mit neuen Funktionalitäten für eine nachhaltige Zukunft.

In diesem Forschungsgebiet stehen Materialien im Fokus, die aufgrund ihre komplexen, quantenmechanischen elektronischen Eigenschaften ein Potenzial für neue Funktionalitäten und technologische Anwendungen haben. Diese elektronischen Eigenschaften können (i) aus einem komplexen Zusammenspiel und einer komplexen Ordnung von elektronischen Spin-, Orbital-, Ladungs- und Gitterfreiheitsgraden resultieren, (ii) in einem allgemeineren Sinne aus dem Vorhandensein starker elektronischer Korrelationen hervorgehen, (iii) durch stark frustrierte magnetische Wechselwirkungen auftreten oder (iv) im Zusammenhang mit topologisch geschützten Spin- und Ladungszuständen beobachtet werden. Die Erforschung dieser intrinsischen Quantenphänomene zielt einerseits auf wissenschaftliche Entdeckungen ab, die letztlich einen Weg zu neuen Funktionalitäten, Geräten und Anwendungen eröffnen können. Andererseits sollen bereits bekannte Quantenmaterialien und ihre Funktionalitäten weiterentwickelt und verbessert werden. Die oben genannten physikalischen Eigenschaften treten in mehreren Materialklassen auf: in Übergangsmetalloxiden, molekularen Festkörpern und in einer Reihe von intermetallischen Materialien. Diese Systeme zeichnen sich dadurch aus, dass ihre Valenz- und Leitungselektronen in der Regel bis zu einem gewissen Grad ihren atomaren Charakter beibehalten, was zu einem vielseitigen Wechselspiel von lokalisierten und delokalisierten elektronischen Freiheitsgraden führt. Dadurch unterscheiden sich diese Materialien sowohl praktisch als auch konzeptionell stark von einfachen Metallen und Halbleitern. Häufig führt das quantenmechanische Zusammenspiel zwischen den lokalisierten und delokalisierten elektronischen Freiheitsgraden zu anomalen Ladungstransporteigenschaften, z. B. durch das Vorhandensein von Metall-Isolator-Übergängen, und zu außergewöhnlichen Ordnungsphänomenen, wie unkonventionellen Formen der Supraleitung und des Quantenmagnetismus. Funktionalitäten, die sich daraus ergeben, sind z. B. große magnetokalorische Effekte, Hochtemperatursupraleitung, große magnetische Remanenz und starke Koerzitivkraft oder großer Magnetwiderstand.

Research Topics im Forschungsgebiet 1 "Funktions-Quanten-Materialien"

1.1        Exotische Grundzustände und niedrigenergetische Anregungen
1.2        Unkonventionelle Supraleitung:  Mechanismen, Materialien und Anwendung
1.3        Magnetismus

Der Forschungsbereich 2 befasst sich mit neuartigen Materialien für nachhaltige Zukunftstechnologien. Eine umweltfreundliche und nachhaltige Energieerzeugung ist eine der größten Aufgaben unserer Zeit, um den Herausforderungen des Klimawandels und des stetig steigenden globalen Energiebedarfs zu begegnen. Der Schwerpunkt des Forschungsbereichs 2 liegt daher auf Materialien, die ein hohes Anwendungspotenzial für die effiziente und umweltfreundliche Nutzung erneuerbarer Energien haben, wie photovoltaische oder thermoelektrische Materialien und Komponenten. Neben den klassischen Photovoltaikmodulen aus Silizium haben sich in den letzten Jahren neue alternative Materialien entwickelt, die transparente, flexible und leichte Module ermöglichen. Solarzellen auf der Basis von Bleihalogenid-Perowskiten und schwermetallhaltigen Nanokristallen sind besonders vielversprechend, um neue Anwendungsbereiche zu erschließen. Problematisch ist jedoch die hohe Konzentration von giftigen und umweltschädlichen Elementen wie Blei oder Cadmium in diesen Solarzellen. Im Forschungsbereich 2 werden neue Materialien sowie technologische Lösungen entwickelt, um die Umwelt- und Klimaverträglichkeit der eingesetzten Materialsysteme zu verbessern - auch unter Berücksichtigung der Kreislaufwirtschaft als integralem Bestandteil. Ein prominentes Beispiel ist der Ersatz von giftigen und umweltgefährdenden Substanzen durch alternative und unbedenkliche Verbindungen, um photovoltaische, optoelektronische und thermoelektrische Technologien umweltfreundlicher und ressourceneffizienter zu machen. Voraussetzung dafür ist ein grundlegendes Verständnis der beteiligten chemischen und physikalischen Prozesse, deren Erforschung am IFW einen hohen Stellenwert hat.

Research Topics im Forschungsgebiet 2 "Materialien für nachhaltige Anwendungen"

2.1. Photovoltaische Funktionsmaterialien  
2.2. Grüne Chemie und Prozesse      
2.3. Thermoelektrische Materialien

Wenn die verfügbare Dimensionalität eines Systems reduziert wird, können sich seine innere Struktur und sein physikalisches Verhalten drastisch ändern. So werden beim Übergang von dreidimensionalen Kristallen zu zweidimensionalen Monolagen oder an Grenzflächen mitunter völlig andere Eigenschaften und Prozesse beobachtet. Diese Eigenschaften können durch elektrisches Ansteuern auch gezielt eingestellt werden, was sowohl für die physikalische Grundlagenforschung als auch für die praktische Anwendungen äußerst interessant ist. Völlig neue physikalische Eigenschaften treten auch an Oberflächen und Grenzflächen topologischer Materialien auf. So sind beispielsweise in topologischen Isolatoren die Elektronenspins topologisch geschützter Oberflächenzustände an ihren Impuls gebunden - eine Eigenschaft, die auch im Zusammenhang mit der künftigen Spintronik interessant ist. Im Forschungsbereich 3 befassen wir uns mit diesen beiden komplementären Aspekten der reduzierten Dimensionalität, d. h. mit der Synthese neuartiger 2D-Materialien und topologisch geschützter (Oberflächen-)Zustände.
Was die 2D-Materialien betrifft, so ist die Arbeit an der großflächigen Synthese von Heterostrukturen eine der Hauptrichtungen des Forschungsprogramms. Es umfasst ein breites Spektrum der Kernkompetenzen des IFW: von der Chemie und Charakterisierung von Präkursoren, über verschiedene Syntheseverfahren wie der Atomlagenabscheidung, der Gasphasenabscheidung und dem chemischen Dampftransport, über spektroskopische und elektrische Transportcharakterisierungen bis hin zu theoretischen Modellierungen unter Verwendung quantenchemischer und dichtefunktionaler Berechnungen.
Im Hinblick auf die Topologie verfolgen wir drei Hauptrichtungen (1) Wir suchen nach Vielkörpereffekten und anderen unkonventionellen Eigenschaften von topologisch geschützten (Oberflächen-)Zuständen. Ein Beispiel ist PtBi2, ein IFW-synthetisiertes Material, das die Weyl-Physik mit der Supraleitfähigkeit seiner Oberflächenzustände kombiniert. Die zweite Richtung (2) betrifft abstimmbare photonische Kristalle, die ebenfalls vielversprechende Metamaterialplattformen für die Verbindung von topologischem Schutz mit optischer Signalmanipulation auf dem Chip darstellen. (3) Die Vorhersage, Realisierung und Untersuchung nicht-hermitscher Topologie ist die dritte Richtung. Motiviert durch theoretische Vorhersagen untersuchen wir Realisierungen in kondensierter Materie sowie topoelektrische Schaltungen in der Nähe von Anwendungen für neuartige Sensoren.

Research Topics in Forschungsgebiet 3 "2D-Materialien und topologische Zustände"

3.1         2D Systeme: Synthese, Grenzflächen und Integration
3.2         Topologische Zustände von Licht und Materie

Das Forschungsbereich 4 beinhaltet Projekte, die sehr anwendungsorientiert sind und bis zur Entwicklung von Prototypen oder kommerziellen Produkten reichen. Trotz dieser eindeutig anwendungsbezogenen Ausrichtung basieren die Arbeiten auf einer langfristig etablierten und grundlegenden Expertise zu den Methoden, Materialien Methoden und Technologien.
Ein Beispiel hierfür sind Forschungsarbeiten zu akustischen Oberflächenwellen (SAW) für neue Technologien. Basierend auf der breiten IFW-Kompetenz in den Bereichen Grundlagen, Materialien und Bauelemente-Design wird das Anwendungsspektrum der SAW-Technologien ständig erweitert. Jüngste Beispiele sind SAW-Sensorentwicklungen für Windkraftanlagen oder SAW-Geräte für die Aerosolerzeugung.
Ein weiteres Thema im Forschungsbereich 4 ist das Engagement in einem groß angelegten Flüssigwasserstoff-Konsortium, in das das IFW seine langjährige Entwicklungserfahrung auf dem Gebiet der Tieftemperatur-Forschungstechnologie, seine Materialkompetenz für Anwendungen unter extremen Parametern und seine Expertise in der Komponenten- und Sensorentwicklung einbringt.
Das dritte Thema in diesem Forschungsbereich betrifft die Entwicklung von metallischen Hochleistungslegierungen. Neben der Optimierung von Festigkeit, Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit sowie Biokompatibilität stehen auch Ressourcen- und Nachhaltigkeitsaspekte im Vordergrund. Dazu gehören zum Beispiel die Substitution strategischer Metalle wie Kobalt oder Wolfram oder der Einsatz ressourcenschonender additiver Fertigungsverfahren.
Die Aktivitäten in diesem Forschungsbereich zeichnen sich durch eine enge Zusammenarbeit mit der Industrie aus. Der Praxisbezug spiegelt sich auch in einer Vielzahl von nationalen und internationalen Patenten wider.

Research Topics in Forschungsgebiet 4 "Vom Material zu neuen Technologien"

4.1         Akustische Oberflächenwellen: Konzepte, Materialien und Anwendungen
4.2         Kryo-Technologien
4.3         Legierungsentwicklung und Prozesstechnologie