Der Forschungsschwerpunkt am 2. Physikalischen Institut A liegt im Bereich sogenannter zwei-dimensionaler (2D)-Materialien. Wie der Name schon suggeriert, handelt es sich hierbei um Materialien, die in einer Raumrichtung nur aus wenigen, teilweise sogar nur aus einer einzigen Atomlage bestehen. Der momentan wohl berühmteste Vertreter dieser besonderen Materialgruppe und zugleich auch einer der Hauptschwerpunkte unserer Forschung ist dabei Graphen. Einen deutschen Übersichtsartikel zum vielseitigen Wundermaterial Graphen finden Sie hier (Seite 48).

Das große technologische Potential, das dem Graphen aber auch den anderen 2D-Materialien beigemessen wird, kann durch folgende zwei Begebenheiten sehr gut verdeutlicht werden: Zum einem wurde im Jahre 2010 „für grundlegende Experimente mit dem zweidimensionalen Material Graphen“ der Nobelpreis für Physik vergeben - lediglich sechs Jahre nachdem die erste Arbeit, die sich mit der Fabrikation und Messung von Graphen-basierten Proben befasste, publiziert wurde. Dies ist eine im Vergleich zu den allermeisten anderen Nobelpreisverleihungen unglaublich kurze Zeitspanne, die sich aber leicht erklären lässt: Im Allgemeinen dauert es viele Jahre - teilweise sogar Jahrzehnte - bis die Wichtigkeit und Tragweite einer Entdeckung deutlich wird. Stattdessen hat die Entdeckung von Graphen innerhalb kürzester Zeit eine - für eine einzige Person im wahrsten Sinne des Wortes unüberschaubare - Anzahl an Forschungsarbeiten hervorgebracht. Zum anderen kann das technologische Potential von Graphen daran ermessen werden, dass es Gegenstand eines der bisher größten und finanzstärksten Forschungsinitiativen der Europäischen Union wurde: Dem Graphene Flagship.

Aber was macht nun 2D-Materialien so interessant? Zum einem gibt es offensichtliche technologischen Gründe: In einem Zeitalter, in dem die Miniaturisierung von elektronischen Bauteilen eine wichtige Rolle spielt, stellen 2D-Materialien (zumindest in einer Dimension) die absolute Grenze des physikalisch Machbaren dar. Zudem kombiniert Graphen eine hervorragende elektrische Leitfähigkeit mit Eigenschaften, die sonst für elektrische Leiter nicht zutreffen: Aufgrund seiner verschwindenden „Dicke“ ist Graphen sowohl transparent als auch flexibel. Dies eröffnet eine ganze Reihe an technologischen Anwendungen, wie z.B. transparente und flexible Displays (mehr technologische Anwendungen finden sie hier).

Als Institut zur Grundlagenforschung sind wir primär daran interessiert neuartige Anwendungen von Graphen auszuloten und grundlegende physikalische Phänomene und Prozesse zu erforschen. Dabei ist von herausragender Bedeutung, dass aufgrund seiner zwei-dimensionalen Struktur in Graphen selbst bei Raumtemperatur quantenphysikalische Effekte in Erscheinung treten, die in anderen Materialien erst bei Temperaturen Nahe des absoluten Nullpunktes messbar sind. Noch wichtiger ist jedoch, dass es neben Graphen eine ganze Reihe weiterer 2D-Materialien gibt, die eine riesige Bandbreite an Eigenschaften aufweisen. Die elektrischen Eigenschaften reichen z.B. von isolierend, über halbleitend bis hin zu supraleitend. Manche Materialien haben so gut wie keine Spin-Bahn-Wechselwirkung (wie Graphen), während sie bei anderen außerordentlich ausgeprägt ist, wiederum andere 2D-Materialien sind sogar ferromagnetisch.

Die für uns interessante Physik tritt nun zu Tage, wenn wir diese große Palette von 2D-Materialien zu sogenannten van-der-Waals Heterostrukturen durch mechanische Stapelung kombinieren (ein kurzer und guter Übersichtartikel hierzu, zu dem sie innerhalb des RWTH-Netzes freien Zugang haben, findet sich z.B. hier). Die Idee dahinter ist folgende: Aufgrund der 2-dimensionalen Eigenschaft der Materialien sind sie maximal sensitiv auf ihre Umgebung, denn Oberflächeneffekte spielen für ein Material ohne definierbares Volumen eine dominante Rolle. Die elektrische und magnetische Wechselwirkung zwischen zwei verschiedenen 2D-Materialien hat daher zur Folge, dass neue Materialen mit bislang nicht dagewesenen physikalischen Eigenschaften entstehen. So besteht die Hoffnung, dass durch geeignete Kombinationen von verschiedenen 2D-Materialien Heterostrukturen realisiert werden können, die maßgeschneiderte physikalische Eigenschaften aufweisen, um z.B. Spin-basierte oder supraleitende Elektronik jenseits der heutzutage dazu erforderlichen tiefen Temperaturen zu realisieren oder neuartige, hochsensible Sensoren zu bauen, die auf neuartigen physikalischen Effekten basieren.

Unsere Forschungsrichtungen lassen sich wie folgt zusammenfassen:

• Ausgehend von 2D-Materialien entwickeln wir Nanolithographieverfahren zur Herstellung von 1D- bzw. 0D-Strukturen (sogenannte „nanoribbons“ bzw. „quantum dots“). Die Beschränkung auf noch weniger als zwei Dimensionen resultiert u.a. in zusätzlichen Quantenphänomenen.
• In den unter der ersten Frage erörterten Heterostrukturen untersuchen wir einzigartige physikalische Eigenschaften wie z.B. den ballistischen elektrischen Transport, grenzflächen-induzierte Supraleitung oder Spin-Bahn-Wechselwirkung sowie den Spintransport.
• Durch elektrische, zeitaufgelöste magneto-optische sowie durch elektro-optische Methoden untersuchen wir die Erzeugung, den Transport, die Manipulation und die anschließende Detektion von Elektronenspins. Das Fernziel dieser Experimente ist es, mittels 2D-Materialien Spin-basierte elektronische Bauelemente bei Raumtemperatur zu realisieren.
• Mittels Raman-Spektroskopie untersuchen wir nicht nur die Qualität von 2D-Materialien, sondern auch eine Vielzahl von fundamentalen physikalischen Phänomenen in dieser Materialklasse.

Eine detailliertere Zusammenfassung unserer Forschung in englischer Sprache finden sie entweder hier oder sie schauen einfach mal in ein paar unserer Veröffentlichungen hinein. Weiter unten auf dieser Seite finden sie auch detailliertere Beschreibungen zu speziell ausgeschriebenen Bachelor- und Masterarbeiten.

Zusätzlich zu den ausgeschriebenen Projekten freuen wir uns immer sehr über Initiativbewerbungen. Bitte kontaktieren Sie hierzu entweder Prof. Stampfer oder Dr. Beschoten, um mögliche Projekte zu besprechen.

Bei den weiter unten ausgeschriebenen Projekten finden sie einen direkten Link zum jeweiligen verantwortlichen Betreuer. Wenn sie aber beim Durchstöbern unserer Veröffentlichungen auf etwas gestoßen sind, was ihr Interesse geweckt hat, so bietet es sich auch an, einfach mal nachzuschauen, ob der Erstautor der Veröffentlichung noch aktiv an unserem Institut ist. Denn zum einem ist der Erstautor derjenige, der ihnen am besten über ihre/seine Arbeit etwas erzählen kann. Zum anderen ist der Erstautor i.d.R. auch ein Doktorand, der hauptsächlich für die alltägliche Betreuung von Bachelor- oder Masterstudenten zuständig ist. Sie/er kann ihnen dann am besten sagen, ob es momentan bei ihr/ihm eine Möglichkeit zur Anfertigung einer Bachelor- bzw. Masterarbeit gibt, die nicht direkt ausgeschrieben ist, und was sie bei einer solchen Arbeit zu erwarten haben.

Dies ist einer der wichtigsten Fragen, die sie für sich beantworten sollten, bevor sie irgendwo eine Arbeit annehmen. Sie sollten wissen, dass wir grundverschiedene Arbeiten anbieten, da unser Institut eine Vielzahl von Themen mit unterschiedlichen Schwerpunkten bearbeitet. Es gibt zwei Dinge, die der Verfasser dieser Worte in all seinen Jahren an der Uni gelernt hat: Zum einen passt nicht jede Art von Arbeit zu jeder Person und zum anderen hat jede Arbeit seine Vorzüge als auch Nachteile – und jeder, der etwas anderes von ihren/seinen angebotenen Bachelor-, Master- oder Doktorarbeiten behauptet, macht… nennen wir’s mal „PR“ in eigener Sache.

Auf jeden Fall sollte es sie nicht verwundern, dass sie an unserem Institut grundverschiedene Menschen antreffen:

• Manche finden es faszinierend im Reinraum zu arbeiten - vor allem wenn sie nach umfänglichen Prozessschritten den Triumpf erleben können, fast im Alleingang eine voll-funktionsfähige, hoch-komplexe Nanostruktur angefertigt zu haben. Während andere es unverständlich finden, wie man freiwillig stundenlang in einem sterilen Reinraum mit Ganzkörperanzug herumlaufen und mit potentiell gefährlichen Chemikalien hantieren kann.
• Manche finden es unglaublich interessant, mit gepulsten Lasersystemen physikalische Prozesse zeitaufgelöst bis hinunter in den Femto-Sekunden-Bereich untersuchen zu können. Während andere es nicht verstehen können, wie man die Ruhe dafür finden kann, vor jeder Messreihe ein Sammelsurium an optischen Komponenten zu justieren.
• Manche finden Genugtuung darin, Synthese- und Fabrikationsprozesse derart zu optimieren, dass am Ende Proben aus chemisch synthetisiertem Graphen entstehen, die weltweit zu denjenigen mit der allerhöchsten Qualität zählen. Während andere es ermüdend finden, ein und denselben Prozess durch Variation von verschiedenen Parametern ständig zu wiederholen.
• Manche finden es faszinierend, an Systemen zu arbeiten, die nur wenige Millikelvin über dem absoluten Nullpunkt betrieben werden und es daher ermöglichen, fundamentale physikalische Phänomene zu untersuchen. Während andere die Unkompliziertheit von Raumtemperatur-Messungen genießen.
• Manche greifen ab und an gerne mal zum Schraubenschlüssel, um an einer Vakuum-Anlage zu basteln. Während andere eher darin aufgehen, eine neue Auswertung oder Automatisierung in Python oder MATLAB zu programmieren.

Wir sind uns also durchaus bewusst, dass nicht jede Arbeit zu jedem passt. Uns ist es daher wichtig gemeinsam mit Ihnen herauszufinden, welche der momentan verfügbaren Stellen am ehesten ihren eigenen Vorlieben, Stärken aber auch Schwächen entspricht. Die weiter unten ausgeschriebenen Stellen sollen Ihnen entsprechend zunächst einmal nur einen Überblick über unsere Arbeit verschaffen. Wenn eine Stelle ihr Interesse geweckt hat, melden sie sich bei uns, damit wir darüber gemeinsam sprechen können, was wir von ihnen und was sie von uns erwarten.

Wir sind ein sehr gut ausgestattetes Institut, in dem sie von der Synthese von 2D-Materialien über die Fabrikation von Nanostrukturen bis hin zu den eigentlichen Messungen alles aus eigener Hand machen können. Dies geschieht entweder über institutseigene Ausstattung, gemeinschaftliche Ausstattung, die wir mit anderen Instituten teilen, oder unseren Zugang zur Helmholtz Nano Facility (einen technologisch sehr gut ausgestatteten Reinraum im Forschungszentrum Jülich).

Unsere institutseigene Ausstattung umfasst unter anderem:

• Vier He4/He3-Mischkryostate mit unterschiedlicher Ausstattung (manche optimiert auf Hochfrequenzmessungen, andere ausgestattet mit 3D- und 2D-Vektor-Magneten, wiederum andere optimiert auf möglichst geringes Rauschen).
• Zwei Kryostate für elektrische Transportmessungen im variablen Temperaturbereich von 2 K bis 300 K
• Drei Kryostate mit optischen Zugang, die aber zugleich auch elektrische Messungen ermöglichen.
• Verschiedenste Lasersysteme: zwei gepulste Titan:Saphir-Lasersysteme für zeitaufgelöste Messungen bis hinunter in den fs-Bereich, zwei DC-Lasersysteme für Raman-Spektroskopie, mehrere DC-Laserquellen für Photolumineszenz- und Photostrom-Messungen.
• Eine Molekularstrahlepitaxie-Anlage zum Aufdampfen von qualitativ hochwertigen Strukturen.
• Ein CVD-Ofen zur Synthese von 2D-Materialien.
• Sehr umfangreiches elektronisches Equipment sowohl für DC- als auch Hochfrequenzmessungen.
• Und sehr, sehr viel mehr...

Ausstattung, die wir mit unseren Schwesterinstituten 2B und 2C teilen:

• Institutseigener „Reinraum“ ausgestattet mit Elektronenstrahl- und optischer Lithographie, Transfersysteme zum Bau von 2D-Heterostrukturen, Reactive Ion Etching (RIE) Anlage zum Ätzen unserer Proben und einiges mehr.
• Mechanische und Elektronische Werkstatt mit festangestellten Personal, die umfangreiche Expertise im Bau von Forschungsequipment haben.
• Chemie-Labor.
• Raumtemperatur Rasterkraftmikroskop zur Untersuchung der Topographie unserer Proben.
• Und noch einiges mehr…

Vielleicht haben sie sich schon gewundert, warum der allergrößte Teil unserer Homepage und alle ausgeschriebenen Stellen in Englisch verfasst sind. Dies hat zunächst einmal einen sehr einfachen Grund: Wir möchten auch gegenüber internationalen Studenten und Mitarbeitern offen sein und ihnen die Möglichkeit bieten, an unserem Institut zu arbeiten und zu forschen.

Es sind allerdings weiterhin sehr viele der bei uns arbeitenden Doktoranden und Postdocs deutschsprachig. Da diese beiden auch diejenigen sind, die hauptsächlich die Betreuung von Bachelor- und Maserstudenten übernehmen, ist die Wahrscheinlichkeit groß, dass sie hauptsächlich deutsch sprechen werden, obwohl die ausgeschriebene Arbeit vielleicht auf Englisch verfasst wurde. Sollten sie also zu denjenigen Menschen gehören, die sich mit Fremdsprachen schwertun, teilen sie uns dies mit, sobald sie sich bei uns über Abschlussarbeiten informieren. Wir sagen ihnen dann, in welchen von unseren Projekten Englisch sehr wichtig sein würde, um die Kommunikation mit ihren zukünftigen Kollegen zu vereinfachen.

Weil die gute Beherrschung der englischen Sprache sowohl für Konferenzen als auch für das Schreiben von Veröffentlichungen wichtig ist, ermuntern wir schon Bachelor-Studenten, ihre Abschlussarbeit auf Englisch zu verfassen. Zudem halten wir unsere zwei wöchentlichen, institutsinternen Vorträge auf Englisch ab (das sogenannte Group-Seminar, in dem jeder ab Masterstudent aufwärts regelmäßig seine Ergebnisse vorstellt und dem sogenannten Journal-Club, in dem neue Veröffentlichungen von anderen Forschungsgruppen vorgestellt werden).

Obwohl wir von der Personenzahl her eher ein größeres Institut sind, haben wir glücklicherweise genügend Büroräume zur Verfügung. Daher bekommen bei uns alle Studenten einen festen, komplett ausgestatteten Computer-Arbeitsplatz (Sie teilen Ihr Büro mit nicht mehr als 4 Kollegen).

Wie jedes andere Institut an einer Uni haben auch wir über das ganze Jahr hinweg verschiedenste Lehrverpflichtungen. So gibt es eine Reihe von Praktika, die wir zusammen mit unseren Schwesterinstituten 2B und 2C anbieten. Zudem kann es je nach Semester vorkommen, dass Übungsgruppen zu einer von uns gehaltenen Vorlesung betreut werden müssen. Masteranden, Doktoranden und Postdocs werden sich daher i.d.R. immer an der Lehre beteiligen. Masteranden, die sich an der Lehre beteiligen, können wir als Entlohnung eine Hiwi-Stelle anbieten.

Wir legen bei Doktoranden großen Wert auf eine selbstständige Arbeitsweise mit viel Eigeninitiative. Sollten sie eine solche Arbeitsweise besitzen, werden sie an unserem gut ausgestatteten Institut mit seinen umfangreichen Möglichkeiten zur Probenfabrikation und -messung ein sehr gutes Umfeld vorfinden, ihrer Forschung nachzugehen.