Das IFW Forschungsprogramm bringt die Disziplinen, Methoden und Kompetenzen der fünf IFW-Institute zusammen. Bei aller Breite und Interdisziplinarität gilt für alle Forschungsaktivitäten des IFW Dresden, dass sich Wissenschaftler*innen mit noch unerforschten Eigenschaften neuer Materialien beschäftigen. Das Ziel dabei ist, neue Funktionalitäten und Anwendungen für zukunftsfähige Technologien zu erschließen und herauszuarbeiten.
Quantenmaterialien
Quantenmaterialien sind Stoffe, die besondere Quantenphänomene zeigen. Diese werden von unkonventionellen Spin-Wechselwirkungen, elektronischen Korrelationen, Elektron-Photon-Wechselwirkungen und / oder topologischen Bandstrukturen verursacht. Beispiele sind Supraleitung und Magnetismus. Auch in nanoskaligen Systemen spielen Quanteneffekte eine wichtige Rolle.
Funktionsmaterialien
Funktionsmaterialien können auf Grund ihrer physikalischen und chemischen Eigenschaften bestimmte Aufgaben erfüllen: zum Beispiel den Strom leiten, elektromagnetische Wellen einer bestimmten Frequenz filtern, ein magnetisches Feld abschirmen oder Energie speichern.
Nanoskalige Materialien
Nanoskalige Materialien sind Stoffe, deren Größe in einer oder mehreren Dimensionen 100 Nanometer oder weniger beträgt. Dies kann ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften stark verändern und zu neuen Funktionalitäten führen. Im IFW forschen wir an molekularen Nanostrukturen, aufgerollten Nanomembranen, Nanopartikeln, nanokristallinen Legierungen und lithographisch hergestellten Nanostrukturen.
Die Verknüpfung der drei Felder Quantenmaterialien - Nanoskalige Materialien - Funktionelle Materialien ist das Alleinstellungsmerkmal des IFW Dresden. Entlang der Verbindungen dieser Felder haben wir drei Forschungsgebiete definiert, die wir strategisch von den Grundlagen bis zu Funktionalitäten bearbeiten. Das vierte Forschungsgebiet in der Mitte des Dreiecks beinhaltet unsere Forschung zu nachhaltigen Materialien und Systemen, die für künftige, möglichst umweltverträgliche und dauerhafte Anwendungen von Bedeutung sind.
Forschungsgebiet 1
Quantenphänomene, die ganz neue Funktinalitäten in Materialien hervorrufen können
Forschungsgebiet 2
Materialfunktionen, die sich durch Nanostrukturen in Membranen oder Legierungen ergeben
Forschungsgebiet 3
Neue Konzepte für elektronische und photonische Bauelemente basierend auf der Quantenphysik
Forschungsgebiet 4
Anwendungsorientierte Forschung für nachhaltige Materialien und zukünftige Technologien
Im Forschungsgebiet 1 erforschen wir Materialien, deren elektronische Eigenschaften zu neuen Funktionalitäten mit interessantem Anwendungspotential führen können. Diese komplexen, elektronischen Eigenschaften können
Die physikalischen Eigenschaften manifestieren sich in einer Reihe von Materialklassen: in bestimmten Übergangsmetalloxiden, in molekularen Feststoffen und in intermetallischen Materialien. In all diesen Systemen behalten die Valenz- und Leitungselektronen ihren atomaren Charakter bei, was zu einem vielseitigen Zusammenspiel von lokalisierten und delokalisierten elektronischen Freiheitsgraden führt. Das unterscheidet diese Materialien sowohl praktisch als auch konzeptionell sehr deutlich von einfachen Metallen und Halbleitern mit gut verstandener elektronischer Struktur. Häufig führt das quantenmechanische Wechselspiel zwischen den lokalisierten und delokalisierten elektronischen Freiheitsgraden zu anomalen Ladungstransporteigenschaften, beispielsweise aufgrund von Metall-Isolator-Übergängen, und zu außergewöhnlichen Ordnungsphänomenen wie unkonventionelle Formen der Supraleitung und Quantenmagnetismus. Hieraus resultierende und nutzbare Funktionalitäten sind z. B. große magnetokalorische Effekte, Hochtemperatursupraleitung, Magnetismus mit sehr starker Anisotropie und Riesenmagnetowiderstand.
1.1 Exotische Grundzustände und niedrigenergetische Anregungen
1.2 Unkonventionelle Supraleitung Mechanismen, Materialien & Anwendungen
1.3 Magnetische Materialien für Energieanwendungen
1.4 Magnetische Mikrotexturen
Die Funktionalität eines Materials hängt entscheidend von der Partikelgröße und Oberflächeneffekten ab, was wiederum den Anwendungsbereich der Materialien definiert. Viele Eigenschaften ändern sich beim Übergang vom makroskopischen über den mikroskopischen zum nanoskopischen Maßstab. Das wird deutlich in nanostrukturierten Legierungen, die im Leichtbau und als hochfeste Werkzeuge Anwendung finden. Ein weiterer Schwerpunkt sind elastische oder aufgerollte Nanomembranen, die in einer neuen Generation von flexiblen und kompakten On- und Off-Chip-Bauelementen eingesetzt werden. Im Forschungsgebiet 2 befassen wir uns außerdem mit der Entwicklung neuer thermoelektrischer Materialien. Durch Nanostrukturierung und den Einsatz spezieller Legierungen soll die Effizienz thermoelektrischer Bauelemente erhöht werden, um das Anwendungspotential zu erweitern. All diese Themen beleuchten die Struktur, die chemische Zusammensetzung und die physikalischen Eigenschaften von Materialien auf unterschiedlichen Längenskalen. Die Forschung wird von der Vernetzung interdisziplinärer Teams aus Material- und Elektroingenieuren, Physikern und Chemikern getragen.
2.1 Erstarrung und Nicht-Gleichgewichts-Phasen
2.2 Multifunktionelle anorganische Nanomembranen
2.3 Mikromotoren & Wirkstofftransport
2.4 Thermoelektrische Materialien
In diesem Forschungsbereich beschäftigen wir uns mit Materialien und Strukturen, deren quantenmechanische Effekte auf ihre Nanoskaligkeit zurückzuführen sind. Dies sind sehr dünne Filme, Oberflächen und Grenzflächen, Quantenpunkte, photonische Kristalle und molekulare Nanostrukturen wie Fullerene, leitende Polymere und organische Halbleiter.
Im Bereich der Nanophotonik bearbeiten wir grundlegende Themen wie die Erzeugung von Einzelphotonen und verschränkten Photonenpaaren mit Halbleiter-Nanomaterialien, starke Licht-Materie-Wechselwirkungen im Quantenbereich. Mehr angewandte Fragestellungen betreffen die Herstellung moderner photonischer Bauelemente wie Quanten-Leuchtdioden, aufgerollte optische Mikrokavitäten und 3D-Photonische Kristalle. Das Ziel dieser Forschung ist die Realisierung einer integrierten opto-elektronischen Plattform zur Erzeugung komplexer photonischer Funktionalitäten.
Auf der Nanoskala können auch völlig neue physikalische Eigenschaften entstehen, etwa an Oberflächen und Grenzflächen topologischer Isolatoren. Dort ist der Spin von Oberflächenelektronen an ihren Impuls gebunden - eine Eigenschaft, die im Kontext der Spintronik interessant ist. Die Arbeit in diesem Bereich ist ein weiteres Beispiel für die Interdisziplinarität unserer Forschung. In enger Kooperation wirken experimentelles Knowhow und theoretische Expertise zusammen, um neue topologische Isolatoren zu erforschen und ihre Oberflächenzustände und Transporteigenschaften zu verstehen.
3.1 2D Systeme und heterogene Grenzflächen
3.2 Quanten- und Nano-Photonik
3.3 Funktionelle moleculare Nanostrukturen und Grenzflächen
3.4 Topologische Zustände der Materie
Materialforschung spielt eine Schlüsselrolle, wenn es darum geht, neue Technologien zu entwickeln, die nachhaltig sind und zukünftige Klimaneutralität ermöglichen. Das Forschungsgebiet 4 befasst sich mit genau diesen Themen in der Materialforschung. Dabei sind hier sowohl noch unerforschte Materialien, deren Eigenschaften wir noch entschlüsseln müssen, als auch schon weit fortgeschrittene Innovationen, also bereits konkrete Anwendungen, von Interesse.
Das Forschungsgebiet umfasst Materialsysteme, deren Eigenschaften im Hinblick auf konkrete Anwendungen, Prototypen und Produkte optimiert werden. Dies geschieht in der Regel in enger Zusammenarbeit mit Industriepartnern. Forschungsergebnisse, die wirtschaftliche Bedeutung haben können, werden frühzeitig patentrechtlich geschützt. Eine große Zahl nationaler und internationaler Patente belegt die Praxisrelevanz dieser Themen.
Ein typisches Beispiel sind akustische-Oberflächenwellen-Bauelemente. Diese werden als Frequenzfilter zur Auswahl von Signalübertragungskanälen und Sensoren verwendet. Sie bestehen aus einem piezoelektrischen Einkristallchip, auf dem elektrische in akustische Signale und wieder zurück umgewandelt werden. Das IFW hat auf diesem Gebiet wichtige Innovationsbeiträge geleistet, die direkten Einfluss auf die Produkte haben, z.B. die Verbesserung der Temperaturstabilität und der elektromechanischen Anregung durch Aufbringen eines speziellen Dünnschichtmaterials.
Weitere Projekte im Forschungsgebiet betreffen Materialien für bio-medizinische Anwendungen, Legierungen für hochfeste Werkstoffe, Nanomembranen für flexible magnetoelektronische Bauelemente und Demonstratoren für die Anwendung von Hochtemperatursupraleitern.
4.1 Akustische Oberflächenwellen: Konzepte, Materialien & Anwendungen
4.2 Materialien für die Energiespeicherung
4.3 Hochfeste und biokompatible Legierungen
4.4 FlexMag: Entwicklungszentrum für flexible magnetoelektronische Bauelemente
4.5 Konzepte und Materialien für supraleitende Anwendungen
