Oxide - das Material der Zukunft Oxides - Material of the Future - Forschungsverbund Berlin eV
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109 DEZEMBER 2017
Oxide – das Material der Zukunft
Oxides – Material of the Future
MBI-Laser schickt Elektronen Der Forschungsverbund
im XFEL auf Slalomkurs Viren statt Antibiotika rockt die Wissenschaft
MBI laser sends electrons on a Viruses over antibiotics The Forschungsverbund rocks
slalom course through the XFEL the scientific community
18 24 56
INHALT · CONTENTS
E ditor ial
I nha lt
Liebe Leserin, lieber Leser,
Contents
Wissenschaft ist internatio-
nal. Bei der Forschung spielt
die Herkunft keine Rolle
– oder genau genommen
doch: Forschungsteams
funktionieren gerade des- 4 Nachrichten | News
halb besonders gut, weil sie
so heterogen zusammenge- 7 Direktorenkolumne | Directorsʼ column
setzt sind. Dass „Diversity“ generell in Teams zu Zusammenarbeit mit Universitäten – Lust und Frust |
guten Arbeitsergebnissen führt, ist längst erwie- Collaborating with universities – joys and troubles
sen, aber noch bei weitem nicht in allen Bereichen Henning Riechert
so selbstverständlich wie in der Forschung.
Weil in den Instituten des Forschungsverbundes 8 Gastbeitrag | Guest commentary
Kolleginnen und Kollegen aus der ganzen Welt Michael Müller, Regierender Bürgermeister/Governing Mayor
arbeiten – mal auf Dauer, mal nur für einen kurzen
Gastaufenthalt – haben wir uns entschlossen, das
Verbundjournal ab jetzt zweisprachig in Deutsch
und Englisch herauszubringen. Das entspricht dem TITEL | TITLE
Alltag unserer Institute.
Oxide – das Material der Zukunft |
Das soll aber kein Schritt sein hin zu einem nur
englischen Journal. Wir möchten nicht nur Wis- Oxides – Material of the future
senschaftlerinnen und Wissenschaftler erreichen,
sondern wir möchten weiterhin alle für die For- 10 Pionierforschung an neuen Hochleistungs-Halbleitern |
schung unserer Institute begeistern. Das bedeutet Pioneering research on new high-performance semiconductors
für uns eine möglichst verständliche Aufberei-
tung der Inhalte – und das fängt natürlich bei der 12 Zukunft der Elektronik: Neuer katalytischer Effekt
Sprache an. zur Herstellung von Galliumoxid entdeckt |
The future of electronics: New catalyic effect discovered
Viel Spaß beim Lesen wünschen Ihnen for producing gallium oxide
Gesine Wiemer und Anja Wirsing
Dear Reader,
Science is international. Researchers’ origins are
irrelevant – or are they? In fact, research teams
work particularly well precisely because they are
so heterogeneous. It has long been proven that
diverse teams generally produce very good work
results, but it is not such a given thing in some
areas as in research.
Since we have colleagues from all over the
world working at the Forschungsverbund insti-
tutes, some permanently, others temporarily,
8 10
we have decided to publish the Verbundjournal
bilingually – in German and English – from now
on. This bilingualism reflects day-to-day opera-
tions at the institutes.
We would like to stress, however, that this decision
is not a move towards creating an English-only
journal. In addition to reaching researchers, we
wish to continue fascinating the general public
with our institutes’ research. For us, this means
presenting content as comprehensibly as possible
which, of course, starts with language.
We hope you enjoy reading the Verbundjournal!
Gesine Wiemer and Anja Wirsing 14
INHALT · CONTENTS
18
16 24 32
36
46 48 50 56
FORSCHUNG IM FOKUS | SCIENCE IN FOCUS 40 IZW
Durch die Luft übertragene Viren überleben im Wasser |
Airborne viruses survive in water
14 FBH
Mikroelektronik als Schlüsseltechnologie |
Microelectronics as a key technology 42 IGB
Vom Elfenbeinturm ins Anglerheim |
From the ivory tower to the anglersʼ clubhouse
16 Durch Addition zu mehr Empfindlichkeit |
Enhancing sensitivity by addition
18 MBI VERBUND INTERN | VERBUND INSIDE
MBI-Laser schickt Elektronen im XFEL auf Slalomkurs |
MBI laser sends electrons on a slalom course through the XFEL
44 15 Jahre Matheon: Zukunftsweisende Mathematikforschung
24 FMP über Grenzen hinweg | Matheon – fifteen years in existence:
Future-oriented mathematical research across boundaries
Viren statt Antibiotika: 3D-Struktur von Phagen bestimmen |
Viruses over antibiotics: Determining the 3D structure of phages
46 Marthe-Vogt-Preis – Tunnelblick auf Elektronen |
26 Nano-Antikörper in lebende Zellen einschleusen | Marthe Vogt Award – Tunnel vision for electrons
Introducing nano antibodies into living cells
48 Auktion zur Rettung des Nördlichen Breitmaulnashorns |
28 MBI Auction to save the northern white rhino
Erstmals freie Nanoteilchen mit hochintensiver Laserquelle
im Laborexperiment abgebildet | First imaging of free nanoparticles 50 Mein Jahr im Wasser: Tagebuch einer Schwimmerin |
in laboratory experiment using a high-intensity laser source Turning: A Swimming Memoir
30 Wasser lässt das Proton zittern – ultraschnelle Bewegungen 52 Quantenmechaniker wagen ein Experiment der anderen Art |
und kurzlebige Strukturen hydratisierter Protonen | Water makes the Quantum researchers and their rather different experiment
proton shake – ultrafast motions and fleeting geometries in proton
hydration
54 Exzellenzstrategie – Berlin geht erfolgreich in die finale
Bewerbungsrunde | Excellence Strategy – Berlin has made it through
32 IGB to the final
In Zeiten des Klimawandels: Was die Farbe eines Sees über seinen
Zustand verrät | In times of climate change: What a lakeʼs color can
tell about its condition 56 Der Forschungsverbund rockt die Wissenschaft |
The Forschungsverbund rocks the scientific community
34 Daten sind für alle da | Data for everyone
58 Personen | People
36 Im falschen Licht: Wenn für Fische die Nacht zum Tag wird |
Disruptive light: When night becomes day for fish 63 Aus der Leibniz-Gemeinschaft | From the Leibniz Association
verbundjournal | Dezember 2017
NACHRICHTEN · NEWS
Nac hrichte n
News
FBH
Digitale Innovationen:
BeamXpert zweifach ausgezeichnet
Laserstrahlung wird in immer stärkerem Maße
in der Materialbearbeitung, der Messtechnik,
dem Gesundheitsbereich und vielen weite-
ren Anwendungsfeldern eingesetzt. Für jede
Anwendung müssen aber die Eigenschaften der
Laserstrahlung individuell ausgelegt werden. Zu
diesem Zweck entwickelt die FBH-Ausgründung
BeamXpert das Optiksimulationsprogramm
BeamXpertDESIGNER, das zwei sich ergänzen-
de Modellierungsansätze verbindet, wodurch FBH
Laserstrahlführungssysteme besonders schnell
und exakt ausgelegt werden können. Erste MINT-„Ausbildungs-Allianz-Adlers-
BeamXpert ist ein Ausgründungsvorhaben, das hof“ gut besucht
4 unter dem Arbeitstitel „DOBSY – Designer for 17 Adlershofer Technologie-Unternehmen und
Optical Beam Systems“ durch ein EXIST-Grün- Forschungseinrichtungen öffneten am 4. Juli
derstipendium unterstützt wird. Die beiden 2017 im Rahmen der „Ausbildungs-Allianz-Ad-
FBH-Wissenschaftler Dr. Bernd Eppich und Dr. lershof“ für hundert Schülerinnen und Schüler
Guido Mann wurden 2017 zweifach für dieses ihre Türen. Die Einrichtungen stellten sich
Vorhaben ausgezeichnet: mit dem 2. Platz beim damit den potenziellen Fachkräften von morgen
Businessplan-Wettbewerb Berlin-Brandenburg vor. Die Jugendlichen wiederum lernten den
(Finalrunde) und als Preisträger beim „Gründer- Arbeitsalltag in verschiedenen Berufen kennen
wettbewerb – Digitale Innovationen“. und informierten sich über die Ausbildungs-
möglichkeiten in Unternehmen und Forschungs-
Digital Innovations: instituten. Sie konnten dabei in verschiedene
BeamXpert awarded twice Berufe und Arbeitsgebiete vor Ort hinein-
Laser light is an indispensable tool used in schnuppern und erhielten Antworten auf Fragen
applications like materials processing, meas- rund um Berufsperspektiven im MINT-Bereich
urement and medical technology as well as in (Mathematik – Informatik – Naturwissenschaf-
research and development. For each specific ap- ten – Technik). Die Resonanz war auf beiden
plication, the properties of laser radiation need Seiten – Unternehmen wie Schülerinnen und
to be precisely adapted. With this in mind, the Schüler – sehr positiv.
FBH spin-off BeamXpert has developed the op- Die „Ausbildungs-Allianz-Adlershof“ wurde
tics simulation program BeamXpertDESIGNER vom Verein Forum Adlershof e.V. in Zusam-
that combines two complementary modeling ap- menarbeit mit dem Aus- und Weiterbildungs-
proaches, enabling configuration of laser beam netzwerk Hochtechnologie (ANH Berlin) am
control systems quickly and exactly. Ferdinand-Braun-Institut und der Lernfabrik
BeamXpert is a spin-off project supported by NEUE TECHNOLOGIEN Berlin gGmbH organi-
an “EXIST-Gründerstipendium” (founder grant) siert.
under the working title “DOBSY – D esigner
for Optical Beam Systems.” The two FBH Positive response to first STEM Job Fair in
scientists Dr Bernd Eppich and Dr Guido Mann Adlershof
were honored with two awards in 2017: with Seventeen high-tech companies and research
Foto / Photo: briti bay
the second place in the business plan compe- institutions from Adlershof opened their doors
tition Berlin-Brandenburg (final round) and to one hundred school students at the STEM Job
as laureate of “Gründerwettbewerb – Digitale Fair in Adlershof on July 4, 2017. By doing so, the
Innovationen” (founder competition – digital organisations showcased themselves to poten-
innovations). tial specialists of tomorrow. The youngsters, on
verbundjournal | Dezember 2017
NACHRICHTEN · NEWS
the other hand, gained first-hand information
about day-to-day operations in a variety of
occupations and found out about the appren-
ticeship options available at the companies
and research institutes. In addition to getting
a direct taste of various occupations and work
areas, they were also given answers to all kinds
of questions concerning employment prospects
in the STEM (Science, Technology, Engineering,
Mathematics) sector. The event was met with
a very positive response by the companies and
students alike.
The STEM Job Fair was organized by Forum
Adlershof e.V. in collaboration with ANH
Berlin (Aus- und Weiterbildungsnetzwerk
Hochtechnologie), which is based at the Fer- Heinrich Leonhardt, Dr. Jonas Helma-Smets, and
dinand-Braun-Institut, and Lernfabrik NEUE Dr. Dominik Schuhmacher (formerly from FMP);
TECHNOLOGIEN Berlin gGmbH . Prof. Christian Hackenberger represents FMP.
The classical cancer treatment with chemothe
rapy and/or irradiation entails many side effects,
FMP as generally the method nonspecifically affects
the whole body. In contrast, targeted tumor
Förderung für innovative Krebstherapie therapy, on the other hand, targets only the
Ein Forscherteam der Ludwig-Maximili- cancer cells. ADCs are widely considered a major
ans-Universität München (LMU) und des FMP new hope. The research team from the LMU and
hat einen der fünf „m4 Awards“ des bayerischen the FMP is developing a kind of molecular glue
Wirtschaftsministeriums gewonnen. Sie werden for stably attaching the toxins, thus producing 5
mit 500.000 Euro für ihr Start-up „Tubulis The- effective and compatible ADCs. Within the scope
rapeutics“ gefördert, in dem sie hochspezifische of the m4 Award, the team’s first own ADC for
sogenannte Antikörper-Wirkstoff-Konjugate the treatment of acute myeloid leukemia is to be
(ADC) entwickeln. Zum LMU-Team zählen Prof. tested preclinically.
Heinrich Leonhardt, Dr. Jonas Helma-Smets
und Dr. Dominik Schuhmacher (ehemals FMP),
vom FMP ist Prof. Christian Hackenberger IZW
beteiligt.
Die klassische Krebsbehandlung mit Chemothe- Pferde überlebten dank Farbanpassung
rapie und/oder Bestrahlung bringt viele Neben- Wie konnten Pferde das Massenaussterben der
wirkungen mit sich, da die Mittel in der Regel Megafauna nach der letzten Eiszeit überstehen?
unspezifisch den ganzen Körper beeinflussen. Unter anderem durch Anpassung ihrer Fellfar-
Die zielgerichtete Tumortherapie hingegen ver- be an die veränderte Vegetation. Dies fanden
sucht, möglichst nur die Krebszellen abzutöten. Leibniz-IZW-Forscher gemeinsam mit mexika-
Große Hoffnungsträger sind hier die ADC. Das nischen Kollegen durch Abgleich von DNA-Ana-
Forscherteam der LMU und des FMP entwickelt lysen fossiler Knochen mit Pollenfunden heraus.
über eigene Technologien eine Art molekula- Rund 90 Prozent aller Großsäugetierarten über
ren Kleber zur stabilen Anheftung der Toxine 100 Kilogramm Körpergewicht überstanden die
Fotos / Photos: BioM – www.bio-m.org; Arne Ludwig / Leibniz-IZW
und somit zur Herstellung von wirksamen und
gleichzeitig verträglichen ADC. Im Rahmen des
„m4 Awards“ soll ein erstes eigenes ADC zur
Behandlung der Akuten Myeloischen Leukämie
präklinisch getestet werden.
Funding for innovative cancer therapy
A research team from the Ludwig-Maximilians-
Universität München (LMU) and the FMP is
among five winners of the m4 Award competi-
tion from the Bavarian Ministry of Economics.
They have been funded with 500,000 euros for
their start-up “Tubulis Therapeutics,” which
aims at developing highly specific antibody-drug
conjugates (ADCs). The team includes Prof.
verbundjournal | Dezember 2017
NACHRICHTEN · NEWS
letzte Eiszeit nicht. Doch während Mammut, logy (MIT) sowie weitere deutsche Forschungs-
Riesenhirsch und auch deutlich kleinere Säuger einrichtungen. Die Forschungsergebnisse sind in
ausstarben, wie Fossilienfunde belegen, überleb- „Nature Nanotechnology“ erschienen – und die
ten erstaunlicherweise die Pferde. Wie schaff- dazugehörige Darstellung eines Racetrack-Drah-
ten sie das? Darüber rätselten Forscher schon tes hat es dabei auf das Titelblatt der wissen-
länger. Nun konnten Arne Ludwig und seine schaftlichen Zeitschrift geschafft.
Kollegen zeigen, dass es den Pferden gelang, ihre
Fellfarbe an die zunehmende Bewaldung anzu- Future of data storage technology – new
passen. In West- und Zentraleuropa entwickel- method for generating magnetic swirls
ten sich hier immer mehr schwarze Wildpferde Magnetic swirls called skyrmions are considered
(Rappen) und waren so besser getarnt, während to be a promising potential means of achiev-
in den Steppenregionen Asiens weithin braune ing more efficient data storage technology and
bis hellbraune Tiere überwogen. are currently the subject of intense research.
Scientists have now discovered a method to
Horses survived thanks to color adaptation generate such skyrmions in a way which can be
How did horses manage to survive the mass directly integrated into memory chips and which
extinction of megafauna after the last Ice Age? functions reliably up to the gigahertz range.
By adapting their coat color to the different Using current pulses, the researchers generated
vegetation, for one. This is the discovery made nanoswirls at predetermined positions and then
by Leibniz IZW researchers in collaboration with moved them in a controlled way. They used
Mexican colleagues after comparing the DNA x-ray holography to image and directly observe
analysis of fossil bones with findings of pollen. the skyrmions. The researchers from Max Born
Around 90 per cent of all large mammal species Institute for Nonlinear Optics and Short Pulse
weighing more than 100 kg failed to survive Spectroscopy (MBI), Massachusetts Institute
the last Ice Age. And yet whereas the mam- of Technology (MIT), as well as other German
moth, the megaceros and other much smaller research institutions reported their findings
6 mammals became extinct, as fossil finds show, in “Nature Nanotechnology” – with the corre-
horses astonishingly survived. Researchers have sponding image of a racetrack wire even making
long wondered how this species managed to it onto the cover of the scientifc journal.
survive. Now Arne Ludwig and his colleagues
have managed to show that horses succeeded doi 10.1038/nnano.2017.178
in adapting their coat color to the increasing
growth of woodlands. While an increasing num-
ber of wild black horses evolved in western and
Central Europe, where they were camouflaged
better, mainly brown to light brown specimens
prevailed in the steppe regions of Asia.
doi: 10.1038/s41559-017-0358-5
MBI Cover: Nature Nanotechnology, Design: David Shand, Bild/Image: Moritz Eisebitt
Zukunft der Speichertechnik – neue Me-
thode zur Erzeugung magnetischer Wirbel
Magnetische Wirbel, sogenannte Skyrmionen,
gelten als Hoffnungsträger einer effizienteren
Speichertechnik und werden intensiv erforscht.
Wissenschaftler haben jetzt eine Methode zum
Erzeugen von Skyrmionen gefunden, die sich di-
rekt im Speicherchip integrieren lässt und bis in
den Gigahertz-Bereich zuverlässig funktioniert.
Sie haben die kleinen Nanowirbel durch kurze
Strompulse gezielt an vorher festgelegten Orten
erzeugt und dann kontrolliert bewegt. Durch
Holografie mit Röntgenstrahlung haben sie die
Skyrmionen abgebildet und direkt nachgewie-
sen. Beteiligt waren das Max-Born-Institut für
Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie
(MBI), das Massachusetts Institute of Techno-
verbundjournal | Dezember 2017
DIREKTORENKOLUMNE · DIRECTOR’S COLUMN
Zu samme narbeit m it
U nive rs it äte n – Lust und Fr ust
Col l abo rat ing with
u nive rs it ie s – joys a nd tr oub les
H e n n i n g R i e c h e r t , D i r e k t o r | D i r e c t o r, P a u l - D r u d e - I n s t i t u t f ü r F e s t k ö r p e r e l e k t r o n i k
Die Leibniz-Gemeinschaft legt seit einigen In the past years, the Leibniz Association has
Jahren großes Augenmerk auf Vernetzung. Das placed great emphasis on research alliances.
Format des Leibniz-WissenschaftsCampus mit The Leibniz ScienceCampus format with joint
seiner gemeinschaftlichen Förderung für Leib- funding for Leibniz institutes and university
niz-Institute und Universitätsgruppen schafft groups provides an excellent means for regional
hierfür eine exzellente Möglichkeit auf regiona- collaboration. The success of our recent GraFOx
ler Ebene. Der Erfolg unseres GraFOx-Antrags proposal (see p. 10) is a good opportunity for
(siehe S. 10) bietet eine gute Gelegenheit, um das contemplating the pros and cons of such alli-
Für und Wider solcher Allianzen zu betrachten. ances.
7
Wir haben den WissenschaftsCampus etabliert, The GraFOx partners have established the
weil wir uns hier in idealer Weise ergänzen – es ScienceCampus because we complement each
geht um Grundlagen der Physik von oxidischen other in an ideal way, in this case concerning the
Halbleitern. In dieser Zusammenarbeit können basic physics of oxide semiconductors. Within
alle ihre spezifischen Stärken einbringen: Leib- this collaboration, we all contribute our specific
niz-Institute stellen ihre einzigartige Materi- strengths. We, the Leibniz institutes, provide our
albasis im Wachstum von Volumenkristallen unique materials base concerning the growth of
und kristallinen Schichten, die Expertise von bulk crystals and crystalline layers, the expertise
Personal mit langjähriger Erfahrung und auch of our staff, who has many years of experience,
kostenaufwendige Infrastruktur zur Verfügung. and our cost-intensive infrastructure. The
Universitätsgruppen tragen mit Untersuchun- university groups contribute investigations for
gen bei, für die sie oft sehr viel tiefer gehend which they often are much more specialized. All
spezialisiert sind als wir. Mittlerweile haben alle of the partners have embarked on the collabora-
Partner mit großem Enthusiasmus ihre Zusam- tion with great enthusiasm.
menarbeiten begonnen.
Major difficulties we encountered were the very
Schwierigkeiten liegen in den zum Teil ex limited financial resources of universities and
trem begrenzten finanziellen Möglichkeiten the complexity of university administrations.
der Universitäten sowie in der Komplexität der Dealing with them requires virtuosity from our
universitären Verwaltungen. Der Umgang mit university partners which I can only acknow
ihnen erfordert Virtuosität auf der Seite unserer ledge in great admiration. Regarding this,
universitären Kollegen, der ich große Bewunde- politics and administration should urgently step
rung zolle. Hier scheinen mir auch Politik und in to create lean and straightforward adminis-
Verwaltung gefordert, um schlanke, kooperati- trative processes.
onsfreundliche Rahmenbedingungen zu schaffen.
To collaborate or not to collaborate? This is
Foto / Photo: Ilka Schuster / PDI
Kollaborieren oder nicht? Dies ist keine Frage; not a question; certainly not with regard to
sicherlich nicht im Blick auf den erfolgreichen the successful joint proposal and the at least
gemeinsamen Antrag und die mindestens 15 15 PhD students working on the topic. And yet
Doktorandinnen und Doktoranden, die hieran I wonder why things cannot be easier… does
arbeiten. Trotz allem fragt man sich, warum es not excellence also have something to do with
nicht leichter gehen kann… hat Exzellenz nicht efficiency?
auch etwas mit Effizienz zu tun?
verbundjournal | Dezember 2017
GASTBEITRAG · GUEST COMMENTARY
Die Hau p t s t adt der
Koo p e rat io ne n
The cap it al of
co op e rat io n
Michael Müller
Los Angeles im Oktober 2017: Berlin und die Los Angeles, October 2017: Berlin and the
kalifornische Metropole feiern 50 Jahre Partner- Californian metropolis celebrate their fifty-year
schaft, auf der Agenda stehen auch Gespräche partnership with talks at the renowned Universi-
an der renommierten University of California ty of California Los Angeles also on the agenda.
Los Angeles. Kaum angekommen, treffen wir No sooner have we arrived, than we come across
auf Berliner Mathematiker. Sie kooperieren mit mathematicians from Berlin. They cooperate
der UCLA, sind gerade zu einer Konferenz vor with UCLA, and are currently attending a con-
Ort. Ein Ortswechsel: Montreal im April, auch ference there. Change of location: Montreal in
8 hier begegnen wir Forscherinnen und Forschern, April. Here too we encounter researchers – this
diesmal aus der Chemie, die mit Berlin zusam- time from the field of chemistry – who collabo-
menarbeiten. rate with Berlin.
Berlins Wissenschaft ist bestens vernetzt, das Berlin’s scientific community has an excellent
ist kein Geheimnis, hier studieren und forschen network; it’s no secret. People from all over the
Menschen aus der ganzen Welt und internatio- world come here to study and conduct research
nale Kooperationen gehören zum Alltag an der – international cooperation is part of everyday
Spree. Ein richtiges Markenzeichen ist das ge- life for the city on the Spree. It has become a
worden – und das gilt heute ganz besonders auch real trademark – and this also holds particularly
für die ausgeprägte Kooperationskultur zwischen true for the pronounced collaborative culture
den zahlreichen Wissenschaftseinrichtungen between the numerous scientific institutions
innerhalb unserer Stadt. within our city.
Die Dichte und große Vielfalt an wissenschaft- The density and huge variety of scientific
lichen Einrichtungen in Berlin birgt ein großes organizations in Berlin has great potential,
Potenzial, das die Wissenschaftlerinnen und Wis- which scholars have long been successfully
senschaftler seit Langem erfolgreich nutzen. Sie exploiting. They make our science location a
machen unseren Wissenschaftsstandort zu einem center of collaborative research. The institutes
Zentrum der Verbundforschung. Die Institute belonging to the Forschungsverbund Berlin are
des Forschungsverbunds Berlin sind treibende a catalyst for these cooperative dynamics, be
Kräfte für diese Kooperationsdynamiken, sei it the Ferdinand-Braun-Institut in Adlershof,
es das Ferdinand-Braun-Institut in Adlershof, the Leibniz-Forschungsinstitut für Molekulare
das Leibniz-Forschungsinstitut für Molekulare Pharmakologie at Buch, one of Berlin’s new
Pharmakologie am wachsenden Zukunftsort “Zukunftsorte”, or the Weierstrass Institute
Buch oder das Weierstraß-Institut im Kontext des in the context of Berlin’s Matheon. The latter
Berliner Matheon. Letzteres ist seit 15 Jahren ein has been a shining example of collaborative
leuchtendes Beispiel der Kooperationskultur: Drei culture for fifteen years: three universities,
Universitäten, zwei Forschungsinstitute und über two research institutes and more than 200
200 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler academics demonstrate impressively what can
zeigen eindruckvoll, was möglich ist, wenn man be achieved if we all pull together. The State
an einem Strang zieht. Vorhaben mit dieser Logik of Berlin provides targeted funding to projects
fördert das Land gezielt über die Einstein Stiftung that follow this logic via the Einstein Founda-
Berlin. So sind in den letzten Jahren sechs Ein- tion Berlin. For example, six Einstein Centres
verbundjournal | Dezember 2017
GASTBEITRAG · GUEST COMMENTARY
stein Centers entstanden, die allesamt instituti- have been established in recent years, all of
onsübergreifend arbeiten und wichtige Impulse which work on a cross-institutional basis, giving
für die Forschung geben. Darunter das Einstein fresh impetus to research. One such example
Center Digital Future, das im Zusammenspiel is the Einstein Centre Digital Future, which, in
zwischen Politik, Hochschulen, außeruniversitä- an interplay between policymakers, universi-
ren Einrichtungen und der Wirtschaft berlinweit ties, non-university institutions, and industry,
über 50 neue Professuren etabliert und unsere is establishing over fifty new professorships
Stadt zu einem Hotspot der Digitalisierungs- throughout Berlin – transforming our city into a
forschung macht. Unterstützung für dieses Ziel hotspot for research into digitisation. This goal 9
kriegt es neuerdings von einem weiteren Beispiel has recently been furthered by another example
der Berliner Kooperationskunst, dem Weizen- of collaborative practice in Berlin, the Weizen-
baum-Institut für die vernetzte Gesellschaft, das baum Institute for the Networked Society,
von Universitäten aus Berlin und Potsdam, dem which is coordinated by universities in Berlin
Wissenschaftszentrum Berlin und dem Fraunho- and Potsdam, the Berlin Social Science Center,
fer FOKUS getragen wird. and Fraunhofer FOKUS.
Berlin ist heute ein einzigartiges Labor für die Today, Berlin is a unique laboratory on sounding
Möglichkeiten, die sich aus der Nutzung von out the opportunities arising from the exploita-
Synergien ergeben, und das gilt zunehmend auch tion of synergies, and this is increasingly the
für die strukturelle Zusammenarbeit zwischen case also for structural cooperation between
den Institutionen. Die drei Leibniz-Wissen- institutions. The three Leibniz ScienceCampi in
schaftsCampi in Berlin zeigen, wie ein innovati- Berlin are a prime example of how to success-
ver Brückenschlag zwischen außeruniversitärer fully build innovative bridges between non-uni-
Forschung und den Universitäten gelingen kann. versity research and universities. It also comes
Es verwundert auch nicht, dass in dem aktuell as no surprise that most of Berlin’s bids in the
laufenden Exzellenzcluster-Wettbewerb die meis- current call for proposals in the Clusters of
ten Anträge aus Berlin auf Kooperationen beruh- Excellence competition, which passed the first
ten und im Übrigen die erste Runde hervorragend selection round very successfully, were based
meisterten. Und so ist auch die Absicht der drei on cooperation. Hence the intention of Berlin’s
Berliner Universitäten und der Charité, sich three universities and the Charité to bid jointly
gemeinsam im Verbund um den Exzellenztitel for the “Excellence title” is merely a logical
zu bewerben, nur ein logischer nächster Schritt next step in a place like Berlin, the capital of
an einem Standort wie Berlin, in der Hauptstadt cooperation. The added value arising from such
der Kooperationen. Die Mehrwerte, die sich aus collaboration at our science location is observed
der Zusammenarbeit an unserem Wissenschafts- very closely on the international arena, ma
Foto / Picture: Lena Giovanazzi
standort ergeben, werden auch international sehr king Berlin a highly sought-after partner. We
genau gesehen und sie machen Berlin zu einem will continue to systematically strengthen this
begehrten Partner. Diesen Vorteil werden wir advantage in the future.
auch in der Zukunft konsequent ausbauen.
Michael Müller Michael Müller
Translation:
Regierender Bürgermeister von Berlin Governing Mayor of Berlin Teresa Gehrs
verbundjournal | Dezember 2017
TITEL | OXIDE – DAS MATERIAL DER ZUKUNFT
P ionie rfo rs chu n g a n neuen
Ho c hl e is t ungs -Ha lbleiter n
P ionee ring re s ea r ch on new
hig h - p e rfo rman ce sem iconductor s
Anja Wirsing
Ob für Hochspannungsschalter oder Whether for high voltage switches or
Touchscreens – halbleitende Oxide touchscreens – semiconducting oxides
zählen zu den Materialien, die aktuell are among the exciting materials that are
für die Elektronik entdeckt und erforscht currently being discovered and researched
werden. Funktional vielfältiger als Sili- for electronics. More functionally diverse
zium eignen sie sich besonders für die than silicon, they are especially suitable for
Entwicklung neuartiger elektronischer developing novel electronic components
Bauelemente und Energieanwendungen and energy applications with outstanding
mit herausragender Leistungsfähigkeit. efficiency. With the Leibniz ScienceCampus
10 Mit dem Leibniz-WissenschaftsCampus GraFOx (Growth and fundamentals of
GraFOx (Growth and fundamentals of oxides for electronic applications), the
oxides for electronic applications) setzt Leibniz Association is setting distinct mile-
die Leibniz-Gemeinschaft klare Akzente für stones in this pioneering research. GraFOx
diese Pionierforschung. GraFOx wird vom is coordinated by the Paul-Drude-Institut
Paul-Drude-Institut für Festkörperelektro- für Festkörperelektronik (PDI). Also in-
nik (PDI) koordiniert, auch das Leibniz-Ins- volved are the Leibniz Institute for Crystal
titut für Kristallzüchtung (IKZ) ist aus dem Growth (IKZ) from the Forschungsverbund
Forschungsverbund Berlin beteiligt. Zu den Berlin and other partners including the
weiteren Partnern zählen das Fritz-Ha- Fritz Haber Institute of the Max Planck
ber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft, Society, Humboldt-Universität zu Berlin
die Humboldt-Universität zu Berlin und die and Technische Universität Berlin.
Technische Universität Berlin.
“There is a certain hype surrounding oxides
„Es gibt aktuell einen Hype um Oxide“, erklärt at the moment,” explains Dr. Martin Albrecht,
Dr. Martin Albrecht, IKZ-Abteilungsleiter und a department head at IKZ and one of the lead
einer der führenden Wissenschaftler im Gra- scientists in the GraFOx team. “There have been
FOx-Team. „Es gab große Durchbrüche in der major breakthroughs in oxide research; gallium
Oxidforschung, Galliumoxid beispielsweise kann oxide, for example, can already compete with
bereits mit bestehenden Materialien konkurrie- existing materials. But there is still a way to go
for them to be used in electronics. We first have
to understand semiconducting oxides funda-
mentally: the material, its properties, and the
elementary processes.”
Oxides are seen as a material of the future
because their properties are more diverse and, in
some respects, they significantly outperform si-
licon and nitrides. In particular, there are hopes
for new innovations in information and com-
munication technologies. It is already clearly
foreseeable, for example, that oxides will make
excellent and at the same time cost-effective
high voltage switches. They also show potential
verbundjournal | Dezember 2017TITEL | OXIDE – DAS MATERIAL DER ZUKUNFT
ren. Aber noch ist der Weg in die elektronische
Anwendung weit. Wir müssen halbleitende
Oxide erst einmal grundlegend verstehen: das
Material und seine Eigenschaften sowie die
elementaren Prozesse.“
Oxide gelten als das Material der Zukunft,
denn ihre Eigenschaften sind vielfältiger und
in einigen Punkten deutlich besser als die von
Silizium und Nitriden. Insbesondere die Infor-
mations- und Kommunikationstechnologien
hoffen auf neue Innovationen. So ist bereits klar
absehbar, dass Oxide hervorragende und gleich-
zeitig kostengünstige Hochspannungsschalter
ermöglichen. Ebenso zeigen sie das Potenzial für
schnellere Datenspeicher mit höheren Kapa- Indiumoxid
zitäten sowie für eine Elektronik, mit der man Indium oxide
besser neuronale Netzwerke programmieren
kann, zum Beispiel in Form von selbstlernenden
Computerprogrammen. for faster data stores with higher capacities, and
for electronics that allow better programming of
Noch reicht die Qualität der Oxide nicht aus, um neuronal networks, for example in the context
sie in die Anwendung zu bringen. Das Mate- of self-learning computer programs.
rial muss noch perfektioniert und in seinen
Eigenschaften umfassender verstanden werden. Oxides have yet to reach the quality needed
Hierfür konnte der WissenschaftsCampus gerade for real-world applications; the materials 11
zur rechten Zeit initiiert werden, wie Prof. Hen- still need to be perfected and their proper-
ning Riechert, PDI-Direktor und GraFOx-Spre- ties understood in greater depth. Thus the
cher, betont: „Wir agieren hier als Pfadfinder auf ScienceCampus has been launched with perfect
dem Weg zu vielfältigen Anwendungen – mit timing, as Prof. Henning Riechert, PDI director
GraFOx können wir dafür in erster Linie einen and GraFOx spokesperson, emphasises: “Here,
breiten Rahmen von Grundlagen schaffen. Diese we are serving as trailblazers on the path to
Freiheit und die Zusammenarbeit zwischen diverse applications – for which we can most
exzellenten Partnern ermöglichen uns hochklas- importantly establish a wide foundational basis
sige Forschung.“ with GraFOx. This freedom, and the cooperation
between excellent partners, allow us to do high-
Der Leibniz-WissenschaftsCampus GraFOx, der class research.”
für vier Jahre plus einer möglichen Verlänge-
rung angelegt ist, läuft seit Juli 2016. Seitdem The Leibniz ScienceCampus GraFOx has been
ist viel passiert: Weitere Projekte sind bereits up and running since July 2016 and is planned
aus GraFOx entstanden – gefördert durch die to operate for four years with the possibility
Deutsche Forschungsgemeinschaft, das Bundes- of extension. Much has happened since its
ministerium für Bildung und Forschung und die creation, with new projects having already
Leibniz-Gemeinschaft. Der Nachwuchs hat eine culminated out of GraFOx – funded by the Ger-
große Bedeutung: Jedes der 15 Teilprojekte ist man Research Foundation, the German Federal
mit einer Doktorandin oder einem Doktoranden Ministry of Education and Research, and the
besetzt. Etliche Forschungsergebnisse werden Leibniz Association. Young scientists are of
bereits veröffentlicht – wie der neue katalytische great importance: each of the fifteen subpro-
Effekt zur Herstellung von Galliumoxid (siehe jects has a PhD student involved. A wealth of
S. 12/13). Viele Veranstaltungen und Seminare research results have already been published
haben in GraFOx stattgefunden, auch die erste – one example being the new catalytic effect
Jahrestagung im Juli 2017 in Berlin-Adlershof, for producing gallium oxide (see pages 12/13).
Foto / Photo: PDI / Irene Krawcyk
wo sich die weltweite Oxid-Spitzenforschung Many events and seminars have been held in
getroffen hat. „GraFOx ist eine Keimzelle – die GraFOx, including the first annual conference
offene Struktur und die große Expertise lässt in July 2017 in Berlin-Adlershof, where the
viele neue Projekte und Aktivitäten entstehen“, world’s top oxide researchers met. “GraFOx
resümiert Albrecht. is an incubator – its open structure and great
expertise are giving rise to many new projects
Translation:
grafox.pdi-berlin.de and activities,” Albrecht adds. Peter Gregg
verbundjournal | Dezember 2017TITEL | OXIDE – DAS MATERIAL DER ZUKUNFT
Zu ku nft de r El ektr onik: Neuer
k a t al yt is che r E ffekt zur Her stellung
von Gal l iu moxi d entdeckt
The fut u re of electr onics:
New cat al yt ic effect discover ed for
p r oducing gal l ium oxide
A n j a W i r s i n g u n d | a n d P a t r i c k Vo g t
Halbleitende Oxide bilden eine neue und Semiconducting oxides are a new class of
im Moment hochbeachtete Materialklasse materials that are currently enjoying great
der Halbleitertechnologie. Galliumoxid attention in the field of semiconductor
ist das dafür typische Material, das mit technology. Gallium oxide is the archetypal
extremer Hochspannungsfestigkeit und example for its ability to handle extremely
12 optischer Transparenz im tiefen ultravio- high voltages and its optical transparency
letten Spektralbereich bisher unerreichte in the deep ultraviolet region, thus prom-
elektronische Bauelemente verspricht. ising a generation of electronic compo-
Solche Bauelemente basieren auf sehr nents with unprecedented performance.
dünnen und hochreinen Halbleiterschich- Such components are based on very thin,
ten, die mittels spezieller Abscheidever- ultrapure semiconductor layers produced
fahren hergestellt werden. Jetzt ist es by special deposition methods. Physicists
Wissenschaftlern des Paul-Drude-Instituts of the Paul Drude Institute for Solid State
für Festkörperelektronik (PDI) gelungen, Electronics (PDI) have now drastically
das Kristallwachstum von Galliumoxid increased the yield of gallium oxide with a
erstmalig mit einem katalytischen Effekt in catalytic effect observed for the first time
seiner Ausbeute drastisch zu steigern. Der during crystal growth. This effect is not
Effekt ist nicht nur eine Neuentdeckung, only a new discovery; it can also be ported
er ist auch übertragbar auf andere Materi- to other materials with similar properties
alien mit ähnlichen Eigenschaften wie die to those of gallium oxide. The results ap-
des Galliumoxids. Die Ergebnisse sind in pear in “Physical Review Letters.”
„Physical Review Letters“ erschienen.
Physical vapor deposition (PVD) is one of the
Die physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) key technologies in manufacturing thin, highly
ist eine der Kerntechnologien zum Herstellen pure semiconductor layers. One particular form
dünner hochreiner Halbleiterschichten. Zu ihr of PVD is molecular beam epitaxy (MBE), which
zählt auch die Molekularstrahlepitaxie (MBE), the physicists used in their investigations. The
die bei den Untersuchungen zum Einsatz kam. reaction chemistry during MBE is far simpler
Die Reaktionschemie während der MBE ist deut- than in other, more complex semiconductor pro-
lich einfacher als bei anderen viel komplexeren duction technologies. The PDI researchers had
Technologien zur Halbleiterherstellung. Die therefore not expected to observe a catalytic ef-
Forscher des PDI hatten daher nicht erwartet, fect during the MBE process. They have declared
dass im MBE-Prozess ein katalytischer Effekt this phenomenon to be a new mechanism, which
auftreten könnte. Dieses Phänomen erklären sie they have dubbed metal-exchange catalysis.
sich durch einen neuen Mechanismus, den sie
Metallaustausch-Katalyse nennen. Their experiments revealed that adding the
element indium drastically increases the growth
Die Untersuchungen zeigen zum einen, dass bei rate of gallium oxide during MBE. They also
Hinzufügen des Elements Indium die Wachs- revealed that, in the presence of indium, gallium
verbundjournal | Dezember 2017TITEL | OXIDE – DAS MATERIAL DER ZUKUNFT
tumsrate von Galliumoxid während der MBE um oxide still forms under conditions in which it
ein Vielfaches ansteigt. Zum anderen formt sich could never form without the added element.
Galliumoxid in der Anwesenheit von Indium Moreover, gallium oxide forms a special crys-
auch noch unter Bedingungen, unter denen es talline structure that is uniquely suitable for
ohne dieses Element nicht mehr möglich wäre. developing so-called heterostructures of gallium
Dabei bildet das Galliumoxid eine besondere oxide and indium oxide layers that are essential
Kristallstruktur aus, die sich einzigartig für die in many components.
Kombination von Galliumoxid- mit Indium
oxidschichten in sogenannten Heterostrukturen Given the simple reaction chemistry of MBE,
eignet, wie sie in vielen Bauelementen benötigt the researchers are convinced that the effect
wird. observed is generally valid and thus applicable
to all materials possessing similar properties to
Aufgrund der einfachen Reaktionschemie those of gallium oxide. The first author of the
während der MBE sind die Forscher überzeugt, study Dr. Patrick Vogt, who researches at PDI,
dass der beobachtete Effekt allgemeingültig und adds that “the metal-exchange catalysis discov-
damit auf alle Materialien anwendbar ist, die ered delivers an entirely new approach to grow-
vergleichbare Eigenschaften aufweisen wie die ing crystalline materials, and very likely opens a
des Galliumoxids. Dr. Patrick Vogt, PDI-Wissen- new pathway towards previously unimaginable
schaftler und Erstautor der Studie, resümiert: semiconductor components.”
„Die entdeckte Metallaustausch-Katalyse liefert
einen völlig neuen Ansatz für das Wachstum Patrick Vogt is a junior scientist and a physicist
von kristallinen Materialien und eröffnet sehr by training. He completed his doctorate at PDI
wahrscheinlich einen neuen Weg zu bisher un- on the topic of physical chemistry and semi-
bekannten Halbleiter-Bauelementen.“ conductor physics – in the scope of the Leibniz
ScienceCampus GraFOx.
Patrick Vogt ist Nachwuchswissenschaftler.
Von Hause aus Physiker hat er am PDI auf dem 13
Gebiet der physikalischen Chemie und Halblei-
terphysik promoviert – im Rahmen des Leib-
niz-WissenschaftsCampus GraFOx.
Eine durch die gezeigte Metallaustausch-Katalyse
doi:10.1103/PhysRevLett.119.196001 mögliche Galliumoxid-Indiumoxid-Überstruktur für
neuartige auf Galliumoxid basierende Elektronik.
Metal-exchange catalysis, as described, can produce
this gallium oxide-indium oxide heterostructure for
novel electronics based on gallium oxide.
Quelle / Source: PDI
Translation:
Peter Gregg
verbundjournal | Dezember 2017FORSCHUNG IM FOKUS · SCIENCE IN FOCUS | FBH
M ikro e l e k t ro ni k a ls
S c h lüs s e lt echn olog ie
M ic r o e l ect ro nics a s a
key techno l o gy
Interview mit Prof. Günther Tränkle, Direktor des FBH
Interview with Prof. Günther Tränkle, Director of FBH
Anja Wirsing und | and Petra Immerz
Digitalisierung, intelligente Mobilität, Digitalization, intelligent mobility, Indus-
Industrie 4.0 – Zukunftstechnologien ma- try 4.0 – these are developments made
chen diese Entwicklungen möglich. Dabei possible by future-oriented technologies.
spielt die Mikroelektronik eine besonders Microelectronics makes up an especial-
große Rolle. Sie stößt entscheidende ly big part of this, coinciding with other
14 IT-Entwicklungen an, von denen alle profi- crucial trends in IT that will benefit us all –
tieren – ob durch leistungsfähigere Com- be it more powerful computers, advanced
puter, eine weitentwickelte Medizintechnik medical technology, or more efficient
oder effizientere Technik für die Energie- technologies for the transition to clean
wende. Mit dem größten Investitionspro- energy. In the largest investment program
gramm seit der Wiedervereinigung fördert since German reunification in 1990, the
jetzt das Bundesministerium für Bildung Federal Ministry of Education and Research
und Forschung (BMBF) die „Forschungsfa- (BMBF) is now funding the “Research Fab
brik Mikroelektronik Deutschland“, eine Microelectronics Germany,” a cooperation
Kooperation von elf Instituten des Fraun- between eleven institutes of the Fraun-
hofer-Verbunds Mikroelektronik und zwei hofer Group for Microelectronics and two
Instituten der Leibniz-Gemeinschaft. Mit institutes of the Leibniz Association. Also
dabei ist das Ferdinand-Braun-Institut, a member is the Ferdinand-Braun-Institut,
Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik
(FBH) aus dem Forschungsverbund Berlin. (FBH) in the Forschungsverbund Berlin.
Die „Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutsch- The “Research Fab Microelectronics Germany”
land“ (FMD) erhält mit 350 Millionen Euro eine (FMD) is receiving an impressive 350 million euros
beeindruckend hohe finanzielle Förderung. Wie ist in funding. What kind of an initiative is it – and how
diese Initiative einzuordnen – auch verglichen mit does it compare with other major projects?
anderen großen Projekten? Germany needs to combine its existing know-how
Das in Deutschland vorhandene Know-how und and technologies in microelectronics in order to
die Technologien in der Mikroelektronik gilt es accelerate the translation of research results into
zu bündeln, damit Forschungsergebnisse noch application. We want to expand the technological
schneller in die Anwendung kommen. In enger location in close cooperation with industry and
Zusammenarbeit mit der Industrie wollen wir become internationally competitive. In particular,
den Technologiestandort ausbauen, um interna- this means strengthening the expertise of small
tional wettbewerbsfähig zu sein. Besonders die and mid-sized enterprises. While the technologi-
Foto / Photo: FBH / Katja Bilo
Expertise von kleinen und mittleren Unterneh- cal basis is being updated to the cutting edge, the
men soll dabei gestärkt werden. Nicht nur die key players in research and development are also
technologische Basis wird auf den neuesten looking to join forces. More than 2,000 scientists
Stand gebracht, auch die zentralen Akteure im from the Fraunhofer and Leibniz institutes are
Bereich Forschung und Entwicklung suchen den now working together in this unprecedented
Schulterschluss. Mehr als 2.000 Wissenschaftle- cross-organizational cooperation. And this
verbundjournal | Dezember 2017FORSCHUNG IM FOKUS · SCIENCE IN FOCUS | FBH
Startschuss für die Forschungsfabrik Mikroelektronik in
Berlin-Brandenburg: Regionaler Auftakt mit Bundesforschungs-
ministerin Prof. Johanna Wanka am 6. Juli 2017 am FBH.
Research Fab Microelectronics in Berlin-Brandenburg gets the
green light: regional kick-off with Federal Minister for Research
Prof. Johanna Wanka on 6 July 2017 at FBH.
rinnen und Wissenschaftler aus Fraunhofer- und
Leibniz-Instituten arbeiten erstmalig organisa-
tionsübergreifend eng zusammen. So entsteht
ein einzigartiges Angebot für die deutsche und
europäische Halbleiter- und Elektronikindustrie,
die sich an einen zentralen Ansprechpartner
wenden kann. presents a central point of contact with a unique
array of services for the German and European
Das FBH wird bis 2020 mit mehr als 34 Millionen semiconductor and electronics industries.
Euro gefördert. Was planen Sie?
Ein Großteil der Gelder fließt in eine FBH will be receiving just over 34 million euros up
leistungsfähige Infrastruktur, mit der die until 2020. What are your plans?
FBH-Forschungsfelder ausgebaut werden: eine The majority of the money will be used to create
neue Ausstattung in der Halbleitertechnologie a powerful infrastructure that will allow FBH
und eine umfangreiche Bauelemente-Mes- to expand its research fields, including new 15
stechnik bis 750 GHz. Die Verhandlungen mit semiconductor technology and comprehensive
Geräteherstellern laufen auf Hochtouren. Unsere equipment for measuring components at up to
Technologie-Basis erweitern wir mit einem zu- 750 GHz. Negotiations with device manufac-
sätzlichen Reinraum, den wir mit Unterstützung turers are in full swing. We have expanded our
der Berliner Senatskanzlei bei der Adlershofer technological basis with an additional clean
WISTA angemietet haben. Um diesen zu betrei- room, rented through Adlershofer WISTA with
ben, haben sechs statt bislang drei Mikrotechno- the support of the Berlin Senate Chancellery. To
logie-Azubis ihre Berufsausbildung begonnen. operate it, we now have six, rather than the usual
Im Rahmen der Joint Labs mit Universitäten three, newly recruited m icrotechnology appren-
verstärken wir die Zusammenarbeit, um uns gut tices. We are also intensifying our c ooperation
ausgebildetes akademisches Personal zu sichern. with universities in the scope of the Joint Labs, in
order to secure highly educated academic staff.
An der FMD sind 13 außeruniversitäre For-
schungseinrichtungen beteiligt. Wie gestaltet sich There are thirteen non-university research institu-
die Zusammenarbeit mit so vielen Partnern? tions involved in the FMD. What does cooperation
Um die zukunftsrelevanten Forschungsthemen between so many partners look like?
effizient und zeitnah voranzubringen ist die To make rapid and efficient advancements in
FMD in vier Technologieparks für die wichtigs- the future-oriented research topics, the FMD
ten Anwendungsbereiche organisiert: Silizi- is organized into four technology parks for the
um-basierte Technologien, Verbindungshalb- most important application areas: silicon-based
leiter, Heterointegration, das heißt neuartige technologies; compound semiconductors;
Kombinationen von Silizium und anderen Halb- heterointegration, which is the novel combina-
leitern, sowie Design, Test und Zuverlässigkeit tion of silicon-based and other semiconductors;
für Entwurf und Entwurfsmethoden, Qualität and design, testing and reliability in conception,
Foto / Photo: BMBF / Hans-Joachim Rickel
sowie Sicherheit. Die bisherigen Standorte der prototyping, quality and safety. The institutes
Institute bleiben erhalten, die Aktivitäten wer- maintain their existing locations, but will
den in einer gemeinsamen Geschäftsstelle koor- coordinate and organize their activities from
diniert und organisiert. Das Ziel ist es, Industrie- a joint office. The aim is to present a single,
partnern die gesamte Wertschöpfungskette für reliable source to which industrial partners
die Mikro- und Nanoelektronik unkompliziert can come for solutions in the entire micro- and
aus einer Hand anzubieten. nanoelectronics value chain.
Translation:
forschungsfabrik-mikroelektronik.de forschungsfabrik-mikroelektronik.de/en.html Peter Gregg
verbundjournal | Dezember 2017FORSCHUNG IM FOKUS · SCIENCE IN FOCUS | FBH
Du r ch Addit io n zu m ehr
E mpfindl ichke i t
E nhancing s e nsitivity by a ddition
Catarina Pietschmann
Wissenschaftler des FBH entwickeln FBH scientists develop tunable lasers for
durchstimmbare Laser für eine neuartige a novel measurement method in mid-IR
Messmethode in der mid-IR-Spektroskopie. spectroscopy.
Atome in Molekülen sind bekanntlich nicht It is no secret that atoms in molecules are not
starr, sondern elastisch miteinander verbun- rigidly connected, but elastically. If they are
den. Regt man sie durch Licht oder Wärme an, excited by light or heat, they begin to oscillate.
beginnen sie zu schwingen. Die Schwingungs- The oscillation frequencies fall in the infrared
frequenzen liegen im Infrarotbereich (IR) und range (IR) and generate characteristic patterns
ergeben charakteristische Muster, die für jede that are as unique to every type of molecule
Molekülart so unverwechselbar sind wie ein Fin- as a fingerprint. “The only problem is that our
16 gerabdruck. „Das Problem ist nur, dass unsere entire environment radiates in the IR range.
gesamte Umwelt im IR-Bereich strahlt. Es ist It is classic thermal radiation,” explains Bernd
die klassische Wärmestrahlung“, erklärt Bernd Sumpf, head of the laser sensors lab at the
Sumpf, Lableiter am Ferdinand-Braun-Institut Ferdinand-Braun-Institut (FBH). “So far, if you
(FBH). „Um die Strahlung einer kleinen Probe wanted to detect the radiation of a small sample
vor diesem Hintergrund detektieren zu können, against this backdrop, you had to use very ex-
bedarf es bisher sehr kostspieliger, gekühlter pensive, cooled semiconductor detectors.”
Halbleiterdetektoren.“
This could soon change if Sumpf and his Danish
Das könnte sich bald ändern, wenn es nach doctoral student Mahmoud Tawfieq have their
Sumpf und seinem dänischen Doktoranden way. Because instead of detecting the long-wave
Mahmoud Tawfieq geht. Denn anstatt das lang- infrared light emitted by the excited sample di-
wellige Infrarotlicht, das eine angeregte Probe rectly, the signal can be added to the short-wave
abgibt, direkt zu detektieren, kann das Signal – light of a high-power diode laser (967 nm) by
mittels eines nicht-linearen optischen Kristalls – means of a non-linear optical crystal. The new,
zum kurzwelligeren Licht eines Hochleistungs- higher-energy frequency now no longer falls in
diodenlasers (976 nm) addiert werden. Die neue, the mid-infrared range (2 to 12 micrometers) but
energiereichere Frequenz liegt nun nicht mehr in the near-infrared range (around 800 nano
im mittleren Infrarotbereich (2 bis 12 Mikrome- meters). And for this purpose, we already have
ter), sondern im Nahinfrarot (um 800 Nanome- very compact, inexpensive silicon-based detec-
ter). Und dafür gibt es sehr kompakte, preiswerte tors and cameras.
siliziumbasierte Detektoren und Kameras.
But that is not the only advantage. “In addition
Aber das ist nicht der einzige Vorteil. „Zusätzlich to the frequencies of the molecular oscillations
zu den für jede Substanz typischen Schwin- that are typical for every substance, we also
gungsfrequenzen der Moleküle erhalten wir get a precise image of the sample surface and
auch ein präzises Bild der Probenoberfläche und thus information about the distribution of the
damit eine Information über die Verteilung der substance,” says Mahmoud Tawfieq. What this
Substanz“, sagt Mahmoud Tawfieq. Das macht means is that IR spectroscopy, which has long
IR-Spektroskopie, die in der Chemie schon been used as an analytical method in chemistry,
lange als Analysemethode eingesetzt wird, nun has now become relevant for other fields – such
auch für andere Bereiche interessant – etwa für as the spatially-resolved imaging diagnosis of
die ortsaufgelöste bildgebende Diagnostik von medical tissue samples.
Gewebeproben in der Medizin.
verbundjournal | Dezember 2017Am FBH entwickelter
weit durchstimmbarer
Hochleistungsdiodenlaser
im Gehäuse.
Developed at FBH –
widely tunable high-
power diode laser in
package.
Mahmoud Tawfieqs Forschungen sind Teil des Mahmoud Tawfieq’s research is part of the
Mid-TECH-ITN-Doktorandenprogrammes, an Mid-TECH ITN doctoral program which i nvolves
dem 15 Nachwuchswissenschaftlerinnen und fifteen early-stage researchers from eight coun-
-wissenschaftler aus acht Ländern teilnehmen. tries. While some of them are working at the
Während einige an der Universität Dänemark Technical University of Denmark (DTU) in Lyng-
(DTU) in Lyngby und am FBH in Berlin an der by and at FBH in Berlin on non-linear up-conver-
nichtlinearen Frequenzaddition (Up-Conversion) sion, three PhD students at Humboldt-Universi-
forschen, entwickeln drei Doktoranden an der tät are developing IR quantum cascade lasers for
Humboldt-Universität IR-Quanten-Kaskaden- exciting the samples. At the University of Exeter
laser für die Probenanregung. An der Univer- in the UK, on the other hand, specialists are
sität im britischen Exeter arbeiten wiederum experimenting with medical imaging. Other doc-
Spezialisten für die medizinische Bildgebung. toral students in the network are doing research 17
Weitere Doktoranden des Netzwerkes forschen in Lund, Sweden, and in Barcelona.
im schwedischen Lund und in Barcelona.
At FBH, Mahmoud Tawfieq, who studied physics
Mahmoud Tawfieq, der Physik und Nanotech- and nanotechnology at DTU, is focusing on
nologie an der DTU studierte, konzentriert sich tuning diode lasers for these purposes. He has
am FBH darauf, Diodenlaser für diese Zwecke already managed 23 nanometers. “If we modu-
durchzustimmen. 23 Nanometer hat er bereits late the wavelength of the diode laser during the
geschafft. „Wenn wir während der Messung measurement we get several images of the same
die Wellenlänge des Diodenlasers modulieren, sample – but at different infrared wavelengths.
erhalten wir mehrere Bilder der gleichen Probe This imaging provides doctors with additional
– aber bei verschiedenen Infrarot-Wellenlängen. information on the tissue.” Some molecules
Diese Bildgebung gibt Ärzten zusätzliche Infor- absorb light with varying degrees of intensity
mationen über das Gewebe.“ Manche Moleküle at different wavelengths, which also uncovers
absorbieren das Licht bei unterschiedlichen information about certain cellular processes.
Wellenlängen verschieden stark, was wiederum Tumor cells set on fast growth use more oxygen
Hinweise auf bestimmte Zellvorgänge gibt. Tu- than healthy cells, for example. What doctors
morzellen, die auf schnelles Wachstum aus sind, are looking for is a significant set of molecular
verbrauchen beispielsweise mehr Sauerstoff signatures that will allow them to differentiate
als gesunde Zellen. Gesucht wird nach einem between healthy and tumorous tissue – quickly,
signifikanten Satz von Molekülsignaturen, clearly and precisely localized.
der eine schnelle, eindeutige und örtlich sehr
präzise Unterscheidung zwischen gesundem und It will still be a good few years down the line,
Tumorgewebe ermöglicht. though, before pathologists will be able to bene
fit from imaging mid-IR spectroscopy because
Bis die bildgebende mid-IR-Spektroskopie the hurdles for medical applications are still set
Pathologen einmal zur Verfügung steht, werden very high. In environmental analysis, however,
Foto / Photo: FBH / Schurian.com
noch etliche Jahre vergehen, denn die Hürden such as analyzing motor combustion gases or
für einen Einsatz in der Medizin liegen sehr detecting gas leaks in pipelines, the method
hoch. In der Umweltanalytik aber – etwa bei der could be ready for operation in just a few years’
Analyse von Verbrennungsgasen in Motoren time.
oder der Detektion von Gaslecks an Pipelines –
könnte die Methode bereits in wenigen Jahren
Translation:
einsetzbar sein. Lynda Lich-Knight
verbundjournal | Dezember 2017Sie können auch lesen
