Funktionelle Materialien
Ein Hauptaugenmerk der Forschung liegt in der atomar kontrollierten Herstellung sowohl von makroskopischen als auch nanoskopischen Materialien. Großskalige, perfekt homogene Kristalle lassen sich durch Schmelzverfahren herstellen. Dünne Filme von Materialien können Atomschicht für Atomschicht auf sehr homogenen kristallinen Substraten im Ultrahochvakuum durch Molekularstrahlepitaxieverfahren aufgebracht werden.
Links: Simulation von propagierenden Spinwellen in einem nanostrukturierten magnetischen Film (blau - 18 nm dickes Ni80Fe20, weiss - periodisches Gitter von Löchern mit 160 nm Abstand und 60 nm Kantenlänge).
Mitte: Einzelektronentransistor aus Silizium/Germanium mit metallischen Oberflächengattern.
Rechts: Heteroepitaktische Schichtstruktur aus Übergangsmetalloxiden zur Realisierung von magnetischen Tunnelkontakten. Organische, weiche und hybride Materialsysteme in Schichtsystemen werden häufig durch einfaches Drehschleudern von Flüssigkeiten hergestellt. Bei all diesen Verfahren wird ausgenutzt, dass sich die Atome in den Materialien räumlich selbstorganisiert anordnen. Komplementär dazu lässt sich die räumliche Ausdehnung der Materialien durch Nanolithographie-Methoden zum Beispiel durch Ätzverfahren bis auf wenige Nanometer genau verkleinern bzw. definieren.
Die atomare Kontrolle der Materialien ist eine wichtige Voraussetzung dafür, die Konversion und Speicherung verschiedener Energieanregungen effizient gestalten zu können. Dies gilt gleichermaßen für die Konversion von solarer und thermischer Energie in elektronische Form, wie auch für elektrochemische Energiewandler und -speicher, Photodioden und –detektoren, Sensoren sowie elektrische und magnetische Schaltkreisen.
Solarzelle aus Polymeren, Farbstoffen (dye), und Titanoxid. Die Funktionalität wird durch die Grenzflächen massgeblich bestimmt.Je kleiner die Strukturen sind, desto mehr dominieren die Eigenschaften der Oberflächen- und Grenzatome sowie quantenmechanische Phänomene. Bei nanoskaligen Materialien mit nur wenigen hundert Atomen können daher neuartige optische, elektronische katalytische und magnetische Eigenschaften auftreten, die sich von den Volumeneigenschaften der Materialien deutlich unterscheiden. Bei sehr kleinen Strukturen kann die Dimensionaliät der sich darin befindenden elektronischen Zustände drei, zwei, eins oder null betragen, je nachdem wie viele Impulsfreiheitsgrade die Elektronen in den Strukturen besitzen. Die Dimensionalität der elektronischen Zustände hat einen sehr großen Einfluss auf die physikalischen Eigenschaften der Materialien.
In den Forschungslaboren des Physik-Departments der Technischen Universität München werden die Quantenzustände von einzelnen Elektronen, Spins und Photonen kontrolliert und manipuliert, mit der Möglichkeit diese für Anwendungen in der Quanteninformationstechnologie auszunützen. Gleichzeitig ergeben sich faszinierende makroskopische physikalische Phänomene, wenn viele derartige Zustände quantenmechanisch miteinander korreliert sind.