Herstellung von definierten Ge:Mn-Hybridstrukturen durch Selbstorganisationsprozesse bei der gepulsten Laserausheilung
Experimentelle Physik der kondensierten Materie
Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Hauptaugenmerk des Projektes lag von Beginn auf der Untersuchung von Selbstorganisationsprozessen nach einer Kurzzeitwärmebehandlung von mit Mangan implantiertem Germanium. Zu Beginn wurde versucht mittels Laserausheilung (20ns) perkolierende manganreiche Nanonetze in dem System zu erzeugen. Diese Kurzzeitpulse erwiesen sich allerdings als zu kurz um nachweisbare Nanonetze zu erzeugen. Zwar wiesen die Magnetotransportmessungen auf Nanonetze hin, allerdings waren die Schichtspannungen in den Filmen so groß, dass diese nicht auf vernünftige Weise mit Elektronenmikroskopie (TEM) nachgewiesen werden konnten. Deswegen wurden mit der Blitzlampenausheilung, welche auf deutlich längeren Zeitskalen arbeitet (3-20ms), ebenfalls detaillierte Analysen der hergestellten Filme durchgeführt. In einem engen Parameterfenster wurden besondere logarithmische Strukturen entdeckt. In bestimmten biologischen Objekten der belebten Natur entwickeln sich auf natürliche Art und Weise ähnliche logarithmische Strukturen. Dies ist aber im Bereich der kondensierten Materie etwas Einzigartiges. Aufgrund dieser Beobachtungen wurde ein Folgeprojekt beantragt, um die entstandenen Mikrospiralen genauer untersuchen zu können. Zu diesem Zeitpunkt war die zugrundeliegende Vermutung, dass es sich bei der treibenden Kraft um Rissbildungen in dem Material handelt. Nach weiteren Recherchen in unterschiedlichen Wissenschaftsfeldern konnten wir aber zunehmend eine Rissbildung als treibende Kraft hinter der Spiralbildung ausschließen. Als Konsequenz der Beobachtungen kommt für uns schließlich nur das Phänomen der Explosivkristallisation als einzige logische Alternative in Betracht. Die Explosivkristallisation ist ein sich selbst verstärkendes Phänomen der Kristallisation und wird durch die freiwerdende Kristallisationswärme eines amorphen Materials angetrieben. Im bisherigen Verständnis wurden meist nur kreisförmige Rekristallisationsfronten diesem Phänomen zugeordnet. In unserem Fall gehen wir davon aus, dass sich die Rekristallisation beginnend von einem auf der Oberfläche anhaftenden Keim in eine zufällige Richtung ausbreitet. Die gerichtete Bewegung wird höchstwahrscheinlich dadurch initiiert, da durch das Mangan im Germanium lokal Mn-Anreicherungen zu einer Reduktion der Schmelztemperatur führen und sich somit erst eine gerichtete Kristallisation in einem bestimmten Kegel ausbreiten kann. Noch nicht verstandene thermodynamische Gründe an den Ecken dieses Kegels führen zu einer Krümmung des Pfades, welcher mit dem einer logarithmischen Spirale vergleichbar sind. Trifft die Rekristallisationsfront nun auf einen bereits rekristallisierten Bereich, so entstehen die besonderen spiralförmigen Erhöhungen in der Struktur durch die nach oben gedrückte und erstarrende Schmelze. Die Erkenntnisse wurden teilweise ohne aktive Mitwirkung von den Publikumsmedien aufgenommen und auf unterschiedlichen Plattformen verbreitet.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Nanonet Formation by Constitutional Supercooling of Pulsed Laser Annealed, Mn-Implanted Germanium, in: Subsecond Annealing of Advanced Materials – Annealing by Lasers, Flashlamps and Swift Heavy Ions. Springer. Seiten 15-33
Danilo Bürger
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/978-3-319-03131-6_2) - Magnetisierbare Halbleiter mit permanenter Magnetisierung und deren Verwendung, DE102013209278B4, Patenterteilung: 18.02.2016
Schmidt, Heidemarie, Kaspar, Tim; Bürger, Danilo; Skorupa, Ilona; Fiedler, Jan
- Journal of Applied Physics 121, 184901 (2017): „Evidence for self-organized formation of logarithmic spirals during explosive crystallization of amorphous Ge:Mn layers“
Danilo Bürger, Stefan Baunack, Jürgen Thomas, Steffen Oswald, Horst Wendrock, Lars Rebohle, Thomas Schumann, Wolfgang Skorupa, Daniel Blaschke, Thomas Gemming, Oliver G. Schmidt, and Heidemarie Schmidt
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.4983068)
