Person

Martin Lewin

Doktorand

Lehrstuhl für Experimentalphysik I A und I. Physikalisches Institut

Adresse

Gebäude: Physikzentrum Turm 26

Raum: 26 A 102

Sommerfeldstr. 14

52074 Aachen

 

 

 

Kontakt

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Fax: +49 241 80 22331
 

Ich forsche zusammen mit meinen Kollegen im Rahmen des Forschungsverbundes SFB 917 „Nano-Schalter“ an resistiv-schaltenden Metalloxiden und Phasenwechselmaterialien, die für energieeffiziente, nicht-flüchtige Speicher- und Memory-Anwendungen interessant sind (ReRAM, PCRAM).[1,2] Deren lokale elektronischen Eigenschaften können durch Defekte in beiden Materialklassen jedoch stark verändert werden, was bisher noch nicht voll-umfänglich verstanden ist. Gleichzeitig bietet die gezielte Kontrolle lokaler Defekte potenziell die Möglichkeit neue Schalt-Funktionen und -Konzepte zu ermöglichen.[3] Ein Hauptproblem beim Verständnis der Defekte ist, dass in vielen Fällen isolierende Deckschichten (natürliches Oxid oder Schutzschichten) einen direkten elektrischen Kontakt verhindern, sodass die elektronischen Eigenschaften auf der nm-Skala nicht mit Standard-Kontakt-Methoden analysiert werden können (Leitfähigkeitsrasterkraftmikroskopie, etc.). Im Gegensatz dazu bietet die kontaktlose Infrarot-Spektroskopie die Möglichkeit sowohl die elektronischen, als auch die strukturellen Eigenschaften[4] von vergrabenen Schichten zu quantifizieren. Die räumliche Auflösung ist hier jedoch durch das Beugungslimit (\(\Delta x \sim \lambda /2\)) auf einige µm beschränkt, sodass die Untersuchung nm-kleiner Defekte unmöglich scheint. Durch die Verwendung eines optischen Streulicht Rasternahfeldmikroskops (s-SNOM)[5] umgehe ich jedoch das Beugungslimit und kann so den Einfluss von Defekten auf die Ladungsträgereigenschaften beider Materialklassen mittels infraroter Laserquellen bis hin zur nm-Skala untersuchen.

 

Einzelne Projekte

Durch die Korrelation mit Bildern aus einem Transmissionselektronenmikroskop, konnten wir zeigen, dass mittels des Rasternahfeldmikroskops leitfähige Kristallite in einer amorphen AgInSbTe Schicht noch unter einer 100 nm dicken Schutzschicht identifiziert werden können.[6]

Im Rahmen einer detaillierten Wachstumsstudie konnten wir zeigen, dass die zwei-dimensionale Formierung von Domänen mit unterschiedlichen Ladungsträgerdichten N[7] nicht einzigartig für chemisch synthetisierte Sb2Te3 nano-Plättchen ist. Anstatt eines einzigartigen Phänomens, muss die Formierung viel mehr mit dem fundamentalen Wachstum von Sb2Te3 zusammenhängen, da wir dasselbe Muster sowohl auf oktaedrischen Nanopartikeln, als auch auf epitaktisch gewachsenen Dünnschichten beobachten konnten (Molekularstrahlepitaxie).[8]

  2018-11-02_Sb2Te3-ACSAppliedNano_TOC_v7_Zeichenfläche 1 Urheberrecht: Copyright 2018 American Chemical Society Bild mit Erlaubnis übernommen aus [8]

 

Durch die korrelative Untersuchung von poly-kristallinen Sr1-xLaxTiO3 Keramiken mittels Elektronenmikroskopie und Rasternahfeldmikroskop konnten wir leitfähige Regionen an den Korngrenzen innerhalb der Keramik identifizieren.[9] Diese bedeutende Beobachtung belegt zum ersten Mal eine Anreicherung von Elektronen an Grenzschichten in Donor-dotiertem SrTiO3, was lange lediglich als umstrittene Hypothese angesehen wurde.

  TableOfContentsFigure_v16_2018-07-31 Urheberrecht: M. Lewin Bild übernommen aus [9]  

Neue photonische Konzepte

Neben der Charakterisierung von neuen, funktionalen Materialien beschäftige ich mich auch mit deren Nutzung in der Photonik. Hier geht es um die Entwicklung neuer Konzepte, um Licht unterhalb des Beugungslimits auf der nm-Skala kontrollieren zu können. An der Grenzfläche zwischen phonon-resonanten Kristallen und einem Dielektrikum können so genannte Oberflächen-Phonon-Polaritonen angeregt werden. Hier koppelt das Licht an kollektive mechanischen Gitter-Schwingungen, sodass eine deutliche Reduzierung der Wellenlänge erreicht werden kann. Durch die Verwendung von hBN Schichten konnten wir sowohl eine räumliche Fokussierung des einfallenden Licht auf einen Bruchteil der Wellenlänge im Vakuum erreichen, als auch eine vergrößerte Darstellung vergrabener Objekte realisieren.[10] In Kombination mit schaltbaren Phasenwechselmaterialien konnten wir zeigen, dass die Oberflächen-Phonon-Polaritonen reversibel, und doch nicht-flüchtig, nahezu beliebig räumlich modifiziert werden können.[11]

Literatur:

[1] M. Wuttig and N. Yamada Phase-change materials for rewriteable data storage. Nat. Mater. 6, 824 (2007)

[2] R. Waser, R. Dittmann, G. Staikov and K. Szot, Redox-Based Resistive Switching Memories - Nanoionic Mechanisms, Prospects, and Challenges. Adv. Mater. 21, 2632 (2009)

[3] R. Waser, R. Dittmann, M. Salinga and M. Wuttig, Function by Defects At the Atomic Scale – New concepts for non-volatile memories. Solid-State Electronics. Solid-State Electron. 54, 830 (2010)

[4] S. Bensmann, F. Gaußmann, M. Lewin, J. Wüppen, S. Nyga, C. Janzen, B. Jungbluth, T. Taubner, Near-field imaging and spectroscopy of locally strained GaN using an IR broadband laser. Opt. Express 2014, 22, 22369.

[5] F. Keilmann and R. Hillenbrand, Near-field Microscopy by Elastic Light Scattering From a Tip. Philos. Trans. R. Soc., A 362, 787 (2004)

[6] M. Lewin, B. Hauer, M. Bornhöfft, L. Jung, J. Benke, A. K. U. Michel, J. Mayer, M. Wuttig, T. Taubner, Imaging of Phase Change Materials Below a Capping Layer Using Correlative Infrared Near-field Microscopy And Electron Microscopy. Appl. Phys. Lett. 107, 151902 (2015).

[7] B. Hauer, T. Saltzmann, U. Simon and T. Taubner, Solvothermally Synthesized Sb2Te3 Platelets Show Unexpected Optical Contrasts in Mid-Infrared Near-Field Scanning Microscopy. Nano Letters 15, 2787–2793 (2015).

[8] M. Lewin, L. Mester, T. Saltzmann, S.-J. Chong, M. Kaminski, B. Hauer, M. Pohlmann, A. M. Mio, M. Wirtssohn, P. Jost, M. Wuttig, U. Simon, T. Taubner, Sb2Te3 Growth Study Reveals: Formation of Nanoscale Charge Carrier Domains Is an Intrinsic Feature Relevant for Electronic Applications. ACS Appl. Nano Mater. (2018). Doi:10.1021/acsanm.8b01660

[9] M. Lewin, C. Baeumer, F. Gunkel, A. Schwedt, F. Gaußmann, J. Wueppen, P. Meuffels, B. Jungbluth, J. Mayer, R. Dittmann, R. Waser, T. Taubner, Nanospectroscopy of Infrared Phonon Resonance Enables Local Quantification of Electronic Properties in Doped SrTiO3 Ceramics. Adv. Func. Mater. 28, 1802834 (2018).

[10] P. Li, M. Lewin, A. V. Kretinin, J. D. Caldwell, K. S. Novoselov, T. Taniguchi, K. Watanabe, F. Gaußmann, T. Taubner, Hyperbolic phonon-polaritons in boron nitride for near-field optical imaging and focusing. Nat. Commun. 6, 7507–9 (2015).

[11] P. Li, X. Yang, T. W. W. Maß, J. Hanss, M. Lewin, A.-K. U. Michel, M. Wuttig, T. Taubner, Reversible optical switching of highly confined phonon–polaritons with an ultrathin phase-change material. Nat. Mater 2016, 15, 870.