Rationales Design abstimmbarer anisotroper Chalkogenide für die Optik

• Antragsteller: Professor Dr. Carsten Ronning
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 566192676

Wir schlagen vor, stabile Chalkogenide mit großer statischer Anisotropie gezielt zu designen und zu synthetisieren, ihre Anisotropie räumlich zu modulieren und in ausgewählten Fällen eine dynamische Steuerbarkeit der optischen Anisotropie im sichtbaren (VIS), nahinfraroten (near-IR) und mittelinfraroten (mid-IR) Spektralbereich zu ermöglichen – und dies bei gleichzeitig sehr geringen optischen Verlusten. Diese Materialklasse wird als „Tunable Anisotropic Chalcogenides for Optics“ (TACOs) bezeichnet. Die zentrale Hypothese ist, dass quasi-niedrigdimensionale Chalkogenide mit Übergangsmetall-Kationen als ideale Kandidaten für TACOs dienen können. Zur Identifizierung synthetisierbarer Materialien mit hoher statischer optischer Anisotropie – und in einigen Fällen elektrisch steuerbarer optischer Anisotropie bei gewünschten Frequenzen – wird eine Kombination aus Dichtefunktionaltheorie und Materialinformatik eingesetzt. Die ausgewählten Chalkogenide werden als Einkristalle mittels Gasphasentransport und, falls erforderlich, als dünne Filme mittels gepulster Laserabscheidung synthetisiert. Die Struktur und Zusammensetzung werden mit einer Kombination aus Röntgen-, Neutronen- und elektronenbasierten Untersuchungsmethoden bestimmt, die sowohl empfindlich auf die langreichweitige Ordnung als auch auf die lokale atomare Struktur sensitiv sind. Ihre lineare und zirkulare optische Anisotropie wird mit einer Reihe spektroskopischer Techniken analysiert. Die statische Anisotropie wird durch Legierungen und Ionenbestrahlung modifiziert, wodurch ein hochdimensionaler Raum an Materialeigenschaften entsteht, der in einem iterativen, geschlossenen Feedback-Loop-Ansatz untersucht wird. Die vorgeschlagene Forschung wird durch eine Reihe von Entdeckungen der federführenden Wissenschaftler motiviert. Diese zeigten für quasi-eindimensionalen Chalkogenid-Perowskite weltweit rekordverdächtige optische Anisotropie sowie exzellente Transparenz im mittleren und langwelligen Infrarotbereich und wiesen auf neue Mechanismen zur Erzielung einer so großen Anisotropie hin. Die geplante Forschung wird systematisch den weitgehend unerforschten, riesigen Phasenraum der Chalkogenide durchsuchen und diejenigen Materialien selektieren, die eine vorteilhafte Kombination aus Formbarkeit, Bandlücke, linearer und zirkularer Anisotropie sowie in einigen Fällen eine dynamisch steuerbare optische Anisotropie durch elektrisch schaltbare ferroelektrische Übergänge besitzen. Diese funktionalen Halbleiter werden neue Möglichkeiten für freistrahlbasierte und chipintegrierte elektro-optische Modulatoren, abstimmbare Metaoberflächen, Displays, adaptive Bildgebungssysteme und Sensoren eröffnen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Kooperationspartner: Professor Dr. Mikhail Kats; Professor Dr. Rohan Mishra; Dr. Jayakanth Ravichandran