Gadolinium-dotierte Galliumoxid Polymorphe und Legierungen: Einfluss des Kristallfeldes auf die UV-Emission

• Antragsteller: Dr. Manuel Alonso-Orts
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 548722780

Galliumoxid (Ga2O3), ein Halbleiter mit großer Bandlücke (ca. 4.8 eV), ist aufgrund seiner besonderen Materialeigenschaften, wie z. B. einer hohen elektrischen, chemischen und optischen Stabilität, der Transparenz im gesamten sichtbaren Bereich des optischen Spektrums sowie der Verfügbarkeit von kristallinen Substraten in verschiedenen Orientierungen, aktuell Gegenstand eines großen Forschungsinteresses. Mit Hilfe neu entwickelter Methoden der Molekularstrahlepitaxie (MBE) für oxidische Materialien können wir in unserer Arbeitsgruppe gezielt die α-, β-, oder ε--Phase von Ga2O3 durch geeignete Wahl der Orientierung des Al2O3-Substrats und der Wachstumsbedingungen als Dünnschicht herstellen [1]. Nominell undotiertes Ga2O3 zeigt eine breite Defektlumineszenz vom UV bis in den blau-grünen Spektralbereich, so dass zur Kontrolle und Nutzung der Lumineszenzeigenschaften zum Beispiel der Einbau geeigneter optisch aktiver Ionen in das Material erforderlich ist. Der Fokus dieses Projektes liegt daher auf der optischen Dotierung der binären Ga2O3-Phasen und verwandter ternärer oxidischer Verbindungen mit Gadolinium (Gd) und auf der grundlegenden Untersuchung der Kristallfelder in der umgebenden Matrix. Gd zeichnet sich durch seine gut definierte Emission im UV-B-Bereich aus, die empfindlich durch die Umgebung des substitutionell auf einem Ga-Platz eingebauten Gd-Ions beeinflusst wird. Insbesondere wird die Aufspaltung zwischen den beteiligten Energieniveaus durch die Kristallstruktur und damit durch die Symmetrie und Stärke des Kristallfeldes um die Gd3+-Ionen des jeweiligen Ga2O3-Polymorphs bestimmt. Ebenso hat die Zusammensetzung ternärer (Al,Ga)2O3:Gd- und (In,Ga)2O3:Gd-Legierungen Einfluss auf die Übergangsenergien – zum einen durch eine direkte Veränderung des Kristallfeldes, zum anderen durch eine mögliche Verspannung zwischen der Oxid-Dünnschicht und dem Substrat oder in Heterostrukturen. Neben der systematischen Untersuchung der Gd-Emissionscharakteristik in Abhängigkeit des Kristallfeldes in der α-, β-, oder ε-Phase von Ga2O3 und verwandten ternären Verbindungen wird in diesem Projekt der zugrundeliegende Emissionsmechanismus analysiert, um so die Eigenschaften der untersuchten Materialien für mögliche Anwendungen in UV-B-Emittern zu verbessern. Das Ziel des vorgeschlagenen Projekts besteht also in der quantitativen Analyse der Kristallfelder in Ga2O3-basierten Polymorphen und Legierungen, wobei die internen Übergänge des Gd Ions als Sonde verwendet werden. Dies ermöglicht eine Beurteilung der Anwendbarkeit dieser Emissionsprozesse in UV-B Emittern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Schweden
• Kooperationspartner: Dr. Jan Eric Stehr