Hochauflösendes Röntgendiffraktometer
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Röntgendiffraktometer wurde in den ersten drei Jahren seit Inbetriebnahme von verschiedenen Arbeitsgruppen zur strukturellen Charakterisierung unterschiedlichster Materialsysteme eingesetzt. In der Arbeitsgruppe Sing/Claessen dient die hochauflösende Röntgenbeugung und Reflektometrie als Standardmethode zur strukturellen Charakterisierung von mittels gepulster Laserablation und Molekularstrahlepitaxie (MBE) hergestellten, epitaktischen Dünnfilmen und Heterostrukturen, um auf Basis dieser Daten die Wachstumsparameter anzupassen und so die kristalline Qualität der Proben zu optimieren. Des Weiteren wird routinemäßig die Verspannung zwischen Substrat und Film durch die Aufnahme von reziproken Gitterkarten ausgewertet und so kontrolliert durch den Einsatz verschiedener Substrate der Einfluss des Gitterfehlpasses auf die Filmstruktur und die Transporteigenschaften an den Grenzflächen untersucht. Ein weiterer Einsatzschwerpunkt des Gerätes ist die strukturelle Charakterisierung organischer Einkristalle und dünner molekularer Schichten in der Arbeitsgruppe Pflaum. Im Falle der organischen Einkristalle wurden unter anderem strukturelle Untersuchungen an Radikalionsalzkristallen durchgeführt, welche mittels Elektrokristallisation gezüchtet werden. Die Aktivitäten fanden hier im Rahmen eines von der DFG finanzierten Projekts zu lichtinduzierten Phasenübergängen und deren Einfluss auf das elektrische Transportverhalten in dieser Materialklasse statt. Innerhalb der DFG-Forschergruppe FOR 1809 werden zudem molekulare Einkristalle sowie Kristalle aus molekularen Verbindungen mit dem Röntgendiffraktometer strukturell analysiert, um die in elektrischen Transportmessungen ermittelte, anisotrope Ladungsträgerbeweglichkeit den jeweiligen kristallographischen Richtungen eindeutig zuordnen zu können. Zudem werden organische Lagen für den potentiellen Einsatz in photovoltaischen Dünnschichtzellen oder Transistorschaltungen, welche mittels organischer Molekularstrahlepitaxie in der hergestellt werden, sowohl hinsichtlich ihrer kristallographischen Phasen und ihrer Mikrotextur als auch der Grenzflächenbeschaffenheit in Reflektionsgeometrie mit dem Diffraktometer analysiert. Ein ausgewähltes, repräsentatives Beispiel für die Anwendung der hochauflösenden Röntgenbeugung in der Arbeitsgruppe Kamp ist die Herstellung und Erforschung von Interbandkaskadenlasern im GaSb- und InAs-Materialsystem. Diese Bauelemente bestehen aus mehreren tausend, teilweise nur wenigen Nanometer dicken Halbleiterschichten. Vor allem in der aktiven Zone der Laser ist nicht nur eine genaue Kontrolle der Schichtdicken, sondern auch der Verspannung erforderlich. Eine Schlüsselrolle spielen dabei Übergitter aus den Materialien InAs und AlSb. Hier wechseln an den Grenzflächen Elemente der Gruppen III und V. Dabei entstehen je nach Konfiguration Monolagen aus InSb oder AlAs, die eine erhebliche tensile bzw. kompressive Gitterfehlpassung zum Substrat aufweisen. Um eine Gitteranpassung bzw. eine kontrollierte Verspannung zu erreichen, müssen daher die Wachstumsbedingungen bei der Epitaxie so eingestellt werden, dass die gewünschte Konfiguration der Grenzflächen entsteht. Für die Analyse der dafür hergestellten Übergitter-Teststrukturen wurde hochauflösende Röntgenbeugung eingesetzt. In der Arbeitsgruppe Molenkamp wird das beschaffte Gerät zur Charakterisierung Halbleiter-basierter Hetero-und Multilagenstrukturen eingesetzt. Beispiele aus dem umfassenden Einsatzgebiet sind die Bestimmung der einzelnen Schichtdicken in MBE-gewachsenen HgTe-CdHgTe-Heterostrukturen mittels hochauflösender Röntgeninterferometrie und -reflektometrie, die Entwicklung von ZnTe/CdTe- Schichtsystemen und gezielt verspannten ZnCdTe-CdTe-Übergittern auf GaAs als virtuellen Substraten für HgTe-Quantentrogstrukturen oder die Bestimmung von Verspannung und kristalliner Qualität in HgTebasierten Weyl- und topologisch isolierenden Strukturen. Weitere Fragestellungen betreffen die Charakterisierung von NiMnSb-Lagen im Hinblick auf den Einfluss der Mn-Konzentration auf die Gitterkonstante und die kristalline Qualität sowie die Untersuchung der Verzwillingung und Domänenstruktur in dem topologischen Isolator Bi2Se3 und der Skyrmionen-Verbindung MnSi.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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„Absence of metallicity in K-doped picene: Importance of electronic correlations“ Phys. Rev. Lett. 110, 216403 (2013)
A. Ruff, M. Sing, R. Claessen, H. Lee, M. Tomic, H. O. Jeschke, and R. Valenti
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“InAs-based interbandcascade-lasers emitting around 7μm with threshold current densities below 1 kA/cm2 at room temperature” Appl. Phys. Lett. 106, 041108 (2015)
M. Dallner, F. Hau, S. Höfling, and M. Kamp
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“Single-crystal field-effect transistors of new Cl-2-NDI polymorph processed by sublimation in air” Nature Comm. 6, 5954 (2015)
T. He, M. Stolte, C. Burschka, N.H. Hansen, T. Musiol, D. Kaelblein, J. Pflaum, X. Tao, J. Brill, F. Wuerthner
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„Energy exchange between phononic and electronic subsystems governing the nonlinear conduction in DCNQI(2)Cu” Phys. Rev. B. 92, 155107 (2015)
F. Huewe, A. Steeger, I. Bauer, S. Doerrich, R. Strohriegl, J. Pflaum
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„Monitoring non-pseudomorphic epitaxial growth of spinel/perovskite oxide heterostructures by reflection high-energy electron diffraction“ Appl. Phys. Lett. 106, 063108 (2015)
P. Schütz, F. Pfaff, P. Scheiderer, M. Sing, and R. Claessen
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„Spin Hall effect-controlled magnetization dynamics in NiMnSb“ J. Appl. Phys. 117, 17E103 (2015)
P. Dürrenfeld, F. Gerhard, M. Ranjbar, C. Gould, L. W. Molenkamp, and J. Åkerman
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„Surface/interface coupling in an oxide heterostructure: impact of adsorbates LaAlO3/SrTiO3“ Phys. Rev. B 92, 195422 (2015)
P. Scheiderer, F. Pfaff, J. Gabel, M. Sing, and R. Claessen
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„The Effect of Gradual Fluorination on the Properties of FnZnPc Thin Films and FnZnPc/C-60 Bilayer Photovoltaic Cells” Adv. Funct. Mater. 25, 1565-1573 (2015)
M. Brendel, S. Krause, A. Steindamm, A.K. Topczak, S. Sundarraj, P. Erk, S. Hoehla, N. Fruehauf, N. Koch, J. Pflaum
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„4 piperiodic Josephson supercurrent in HgTe-based topological Josephson junctions“ Nature Comm. 7, 10303 (2016)
J. Wiedemann, E. Bocquillon, R. S. Deacon, S. Hartinger, O. Herrmann, T. M. Klapwijk, L. Maier, C. Ames, C. Bruene, C. Gould, A. Oiwa, K. Ishibashi, S. Tarucha, H. Buhmann, and L. W. Molenkamp
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„Kinetic limitation of chemical ordering in Bi2Te3-xSex layers grown by molecular beam epitaxy“ J. Phys. Condens. Matter 28, 145002 (2016)
S. Schreyeck, K. Brunner, A. Kirchner, U. Bass, S. Grauer, C. Schumacher, C. Gould, G. Karczewski, J. Geurts, and L. W. Molenkamp
