Die AG Aßmann entwickelt skalenübergreifende Spektroskopiemethoden zur Untersuchung von Materialdynamiken – von Pikosekunden bis Langzeit, von atomar bis mikrometrisch. Durch maßgeschneiderte ultraschnelle und nichtlineare Laserspektroskopie werden quantenoptische Fragestellungen in Halbleitern und tribologische Oberflächen in situ und operando untersucht.
Schlüsseltechnologien
Eingesetzt werden Streak-Kamera-Spektroskopie und Femtosekunden-Lasersysteme, homodyne Detektion mit Echtzeit-Phasenraummessung, Raman-Imaging, Brillouin-Interferometrie, sowie spitzenverstärkte Emission und räumliche Strahlformung.
Anwendungen
Die Forschung ermöglicht Analyse und Optimierung von Halbleiterlasern und photonischen Bauelementen, Verschleißprävention und Schmierstoffanalyse, Materialdiagnostik für tribologische Komponenten, Beschichtungen und biomedizinische Implantate sowie Echtzeit-Überwachung physikalisch-chemischer Materialeigenschaften.
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Das Clever Lab nutzt computergestützte Methoden, synthetische Chemie und eine Vielzahl analytischer Verfahren, um bioinspirierte supramolekulare Nanostrukturen zu entwerfen, herzustellen und zu untersuchen. Ziel ist es, deren strukturelle und funktionelle Komplexität schrittweise zu erhöhen. In der Natur vorkommende, nanometergroße Kavitäten von geringer Symmetrie (z.B. Enzymtaschen) und komplexe Anordnungen von Farbstoffmolekülen (zu finden in photosynthetisierenden Organismen) können so durch metallvermittelte, Mehrkomponenten-Selbstsortierungsstrategien nachgeahmt werden. Durch die Kombination verschiedener chemischer Funktionalitäten werden modulare Bibliotheken von Nanostrukturen mit emergenten Eigenschaften wie multitoper Gastbindung, zirkular polarisierter Lumineszenz und vektoriellem Anregungs- oder Ladungstransfer zugänglich gemacht. Die Entschlüsselung grundlegender molekularer Dynamiken und lichtgesteuerter Prozesse stützt sich in hohem Maße auf eine Vielzahl optischer Spektroskopiemethoden auf verschiedenen Zeitskalen. Die gewonnenen Erkenntnisse eröffnen Anwendungspotenziale für die nachhaltige Katalyse, lichtabsorbierende Materialien, die medizinische Diagnostik und die chemische Modifikation biologischer Systeme.
Schlüsseltechnologien:
- Zirkular polarisierte Lumineszenz (JSCO CPL-300)
- Zirkulardichroismus-Spektroskopie (mit temperaturgeregeltem Küvettenhalter)
- UV-Vis-Absorptionsspektroskopie (mit temperaturgeregeltem Küvettenhalter)
- Fluoreszenzspektroskopie (mit Integrationskugel)
- Spektroelektrochemie (verschiedene Zell- und Elektrodenarten)
- Bestrahlungsgeräte für die Photochemie (Hg-, Xe- und LED-Lichtquellen)
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Das Institut für Spanende Fertigung (ISF) unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Prof. h.c. Dirk Biermann beschäftigt sich seit mehr als 50 Jahren in Forschung und Lehre mit allen relevanten Zerspanprozessen ebenso wie mit dem informationstechnischen Umfeld der Zerspanung. Seit 2023 verstärkt mit apl. Prof. PD Dr.-Ing. Dipl.-Inform. Andreas Zabel eine weitere Professur die Institutsleitung.
In der Zerspanung werden die Verfahren Drehen, Bohren, Tiefbohren, Fräsen, Schleifen, Honen und Strahlen wissenschaftlich untersucht und am ISF im Hochgeschwindigkeits (HSC)- oder im Hochleistungsbereich (HPC) betrieben sowie innerhalb aktueller Forschungsarbeiten ständig weiter qualifiziert. Darüber hinaus stellen die Mikrobearbeitung (beim Bohren, Tiefbohren und Fräsen) und die Trocken- bzw. die Minimalmengenbearbeitung zentrale Inhalte der Arbeiten am ISF dar. Die Durchführung von virtuellen Zerspanprozessen auf der Basis verschiedener Modellierungskonzepte inkl. des Einsatzes von KI-Methoden stehen ebenfalls im Fokus der wissenschaftlichen Arbeiten und werden insbesondere von Prof. Zabel vertreten.
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Der Lehrstuhl für Werkstoffprüftechnik (WPT) bildet die Grundlage für die Entwicklung, Konstruktion und Herstellung zuverlässiger Hochleistungsprodukte in allen Forschungs- und Wirtschaftsbereichen. Eine erfolgreiche Werkstoffauswahl, Qualitätskontrolle, Bauteilüberwachung und Schadensanalyse setzt auf eine präzise Bestimmung der chemischen Zusammensetzung, der Gefüge- und Defektstrukturen sowie der Werkstoffkennwerte und Schädigungsevolution, ergänzt durch leistungsstarke Modellierungs- und Simulationsmethoden. Neben der Werkstoffqualifizierung und Fertigungsoptimierung spielt die Identifikation und Trennung von Verformungs- und Schädigungsmechanismen eine zentrale Rolle, ebenso wie die Beurteilung der Strukturintegrität und die Prognose der Lebensdauer.
Die Spektroskopie spielt eine zentrale Rolle in der Werkstoffprüfung und -analyse. Sie bietet eine leistungsfähige Möglichkeit zur Bestimmung der chemischen Zusammensetzung, zur Identifikation von Defekten, zur Überwachung von Materialveränderungen und zur Charakterisierung der Struktur von Werkstoffen. Die Vielseitigkeit und Präzision der spektroskopischen Techniken machen sie zu einem unverzichtbaren Werkzeug in der Materialwissenschaft, der Qualitätssicherung und der Forschung, insbesondere in der Entwicklung neuer Werkstoffe und bei der Sicherstellung ihrer Leistungsfähigkeit unter realen Einsatzbedingungen.
Schlüsseltechnologien:
- Optische Emissionsspektroskopie (OES)
- Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX)
- Röntgenbeugung/Röntgendiffraktion (XRD)
- Infrarotspektroskopie (IR)
- Raster-Kelvin-Mikroskopie (KPFM)
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Die AG Yakovlev befasst sich mit der experimentellen Untersuchung spinabhängiger Phänomene und der Exzitonphysik in Festkörpern, insbesondere in Halbleitern und Halbleiter-Nanostrukturen auf Basis gängiger III-V- und II-VI-Materialien. Aktuelle Forschungsschwerpunkte liegen auf Blei-Halogenid-Perowskit-Halbleitern, die vielversprechend für Anwendungen in der Photovoltaik und Optoelektronik sind.
Schlüsseltechnologien
Optische und magneto-optische Verfahren unter Verwendung kryogener Temperaturen (1,6–300 K), starker Magnetfelder bis zu 17 Tesla und polarisierten Lichts im Spektralbereich von 350–1100 nm. Die Verfahren ermöglichen sowohl Dauerstrichanregung als auch zeitaufgelöste Experimente mit einer zeitlichen Auflösung von 1 ps bis zu mehreren Sekunden. Nichtlineare Multiphotonen-Spektroskopie (Erzeugung optischer Harmonischer) ist ebenfalls im Spektralbereich von 0,3 bis 2,5 µm verfügbar.
Anwendungen
Diese Forschungsarbeiten bilden die Grundlage für die Entwicklung neuer Materialien und die Entdeckung neuer Phänomene für die Spintronik und die Quanteninformationstechnologie.
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Die THz Spectroscopy Group untersucht die Dynamik elementarer und hybridisierter Anregungen im Festkörper über viele Skalen der Spektroskopie hinweg - Frequenzen von 100 GHz bis in den PHz-Bereich, von Amplituden, die Vakuumfluktuationen entsprechen bis zu atomar starken Feldern im Bereich von V/Å, sowie bei räumlichen Auflösungen im subdiffraktiven Bereich bis hin zum Fernfeld. Dabei kommen moderne Methoden der nichtlinearen Optik zum Einsatz, um kürzeste Wellenformen bis zum Einzelzyklenlimit für den gewünschten Einsatzzweck in Phase und Amplitude maßzuschneidern.
Schlüsseltechnologien
Zum Einsatz kommen Hochleistungs-Femtosekundenlaser, nichtlineare parametrische optische Verstärkung, nichtlineare Frequenzkonversion zur Erzeugung von phasenstarren Wellenformen im THz- und Mittelinfrarotbereich, 2D THz-Spektroskopie, Lichtwellenbeschleunigung, Nahfelddesign durch Mikroresonatoren, ultrastarke Licht-Materie-Kopplung sowie Superkontinuums-Weißlichtspektroskopie.
Anwendungen
Die Projekte der AG bergen Erkenntnisse, die zur Entwicklung neuartiger, für optische und elektronische Anwendungen relevanter Quantenmaterialien genutzt werden. Kürzlich erzielte Fortschritte umfassen ballistischen Elektronentransport in topologischen Systemen mit Relevanz für neuartige Quantenelektronik bei Terahertz-Taktraten, oder das Schalten magnetischer Information auf der Pikosekundenzeitskala. Ebenso im Fokus stehen die Entwicklung von integrierten optischen Elementen und neuartigen Konzepten für Ultrakurzpulslaser im Terahertz-Spektralbereich.
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Die Ultraschnelle Akustik-Gruppe untersucht die grundlegenden Eigenschaften und Dynamiken kondensierter Materie mithilfe ultraschneller optischer Spektroskopie und Pikosekundenakustik. Dabei erzeugen und detektieren wir kohärente atomare Schwingungen – akustische Phononen – und verfolgen ihre Wechselwirkungen mit anderen kollektiven Anregungen in einer Vielzahl von Materialien.
Schlüsseltechnologien
Im Zentrum unserer Forschung stehen ultraschnelle Lasertechniken. Mit ultrakurzen Laserpulsen erzeugen und detektieren wir akustische Wellenpakete im Zeitbereich. Diese akustischen Pikosekundenpulse besitzen Frequenzanteile bis in den Bereich mehrerer Terahertz und Wellenlängen von nur wenigen Nanometern.
Indem wir die lokale optische Antwort beobachten, die durch ein sich ausbreitendes akustisches Wellenpaket hervorgerufen wird, können wir seine Bewegung durch das untersuchte Material oder die entsprechende Nanostruktur verfolgen.
Zentrale Anwendungen
Form, Amplitude und spektraler Inhalt eines akustischen Pulses liefern detaillierte Informationen über Materialqualität, Defekte und innere Morphologie – bei einer räumlichen Auflösung im Nanometerbereich.
Ultrakurze akustische Pulse können zudem lokale Dehnungen in der Größenordnung von 10-3 erzeugen. Damit sind sie ein leistungsfähiges Werkzeug, um dynamische Prozesse in Festkörpern zu untersuchen und gezielt zu steuern. Wir nutzen sie, um das elektronische Spektrum zu beeinflussen, optische Resonanzen zu verschieben sowie magnetische Ordnung und elektrische Leitfähigkeit auf ultraschnellen Zeitskalen zu kontrollieren. Darüber hinaus erlaubt uns dieser Ansatz, die Kopplung akustischer Phononen an andere elementare Anregungen zu untersuchen.
Wichtigste experimentelle Techniken
Mehrfarben-Pump-Probe-Spektroskopie; transiente Absorption und transiente Reflexivität im UV- bis NIR-Spektralbereich; optischer freier Induktionszerfall.
Wichtigste Materialsysteme
Ferromagnetische, antiferromagnetische und altermagnetische Materialien und Nanostrukturen; Halbleiter-Nanostrukturen; metallische Nanolagen und zweidimensional strukturierte Systeme; zweidimensionale Materialien und Van-der-Waals-Heterostrukturen.
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