Wissenschaftliche Einrichtungen

Das Stuttgarter Zentrum für Elektronenmikroskopie (StEM) unter der Leitung von Peter A. van Aken ist ein wesentliches Standbein für die Mikrostrukturanalyse des MPI-FKF. Das StEM verfügt über eine herausragende Expertise auf dem Gebiet der Transmissionselektronen­mikroskopie (TEM), der Rasterelektronenmikroskopie (SEM), der fokussierten Ionenstrahl­anwendungen (FIB) und der Methoden­entwicklung. Das StEM dient in erster Linie allen Abteilungen des MPI-FKF, um den Forschern ultrahochauflösende Elektronenmikroskopie-Instrumentierung auf dem neuesten Stand der Technik zur Verfügung zu stellen. Dies wird durch eine Kombination aus Hochpräzisionsmessungen und Big-Data-Akquisition erreicht, die durch kontinuierliche computergestützte Modellierung, Datenverarbeitung sowie Theorie- und Methoden­entwicklung verstärkt wird.
Das StEM erforscht und erweitert ständig neue Möglichkeiten, die durch jüngste technologische Entwicklungen wie Monochromatoren, Aberrationskorrektoren, Energiefilter und schnelle pixelierte Direktelektronendetektoren ermöglicht werden, um allgemeine Entwicklungs- und Anwendungsstrategien für verbesserte Untersuchungsmöglichkeiten aktueller Themen der Materialphysik und -chemie bereitzustellen.
Das StEM verfügt derzeit über fünf TEMs, darunter zwei hochmoderne aberrationskorrigierte JEOL ARM200Fs und das einzigartige Zeiss SESAM. Die Gruppe betreibt auch ein SEM und ein FIB/SEM sowie fortschrittliche Probenpräparationslabore. Die Anschaffung eines neuen atomar auflösenden multidimensionalen TEM von JEOL Ltd., welches von der Max-Planck-Gesellschaft finanziert wird, wurde 2020 beauftragt. Der Umbau und die Renovierung der Laborräume sind Ende 2022 abgeschlossen worden und das neue Gerät, welches zurzeit installiert wird, wird voraussichtlich im ersten Quartal 2023 in Betrieb genommen und dem Institut zur Verfügung stehen. mehr

Die Wissenschaftliche Einrichtung Computerservice betreibt die zentralen Server des Instituts, wie Mail-, Druck-, Software-, Backup- und Web-Server, sowie Linux-basierte Abteilungs-Dateiserver, die auf ein gemeinsames zentrales Speichernetzwerk (SAN) zugreifen, dessen Datenbereiche mittels RAID6 mehrfach redundant ausgelegt sind. Die Daten im SAN werden täglich mithilfe von IBM Spectrum Protect (ehemals Tivoli Storage Manager) Backup- und Archivdienstes gesichert. Derzeit beträgt das Volumen der so gesicherten Daten 870 TB, davon sind 240 TB Archivdaten. Die Kapazität des Speichernetzes liegt bei 800 TB, um die Langzeitspeicherung wissenschaftlicher Daten nach den Regeln guter wissenschaftlicher Praxis zu gewährleisten. Etwa 750 PC-basierte Arbeits- und Messplätze, die zu 75% unter Windows, zu 20% unter Linux und zu einem kleinen Prozentsatz unter MacOS X arbeiten, werden betreut und bei Bedarf erneuert.
Ein seit 2017 an der MP-CDF gehosteter Rechencluster, der dort mit Grundwasser gekühlt wird, wurde im Rahmen der aktuellen Energiekrise abgeschaltet, ebenso die Häfte der 2014 beschafften Rechenknoten der Abteilung Alavi. In diesem Zusammenhang wurde der General-Purpose-Rechencluster für das gesamte Institut freigegeben. Der Stromverbrauch für das wissenschaftliche Hochleistungsrechnen (HPC) am Institut war vor Kriegsbeginn auf 170 kW angestiegen, geht aber seither massiv zurück, die IT dürfte durch die vorgenannten Maßnahmen und die Optimierung der weiter laufenden Server das mit 25% angesetzte Energiesparziel erreichen. Das Kühlwasser stammt aus der 1,3 MW-Kälteanlage des Hauses, es wird Prozesskühlwasser mit einer Temperaturspreizung von 20/25°C verwendet, wodurch an 8 Monaten im Jahr eine freie Kühlung möglich ist.
Insgesamt stehen den HPC-Anwendern des Instituts nach all den genannten Umbauten und Erweiterungen 26612 Rechenkerne und insgesamt 478 TB Hauptspeicher zur Verfügung, beide Werte haben sich im Berichtszeitraum verdoppelt bzw. verfünffacht.
Im Rahmen eines MPG-internen Pilotprojekts wurde eine dedizierte Glasfaser-Verbindung zwischen Stuttgart und der MP-CDF in Garching geschaltet. Diese wird für ein verteiltes gemeinsames GPFS-Dateisystem genutzt, auf welches die Rechencluster der Abteilung Alavi direkt zugreifen können, unabhängig davon, an welchem Standort die insgesamt 1,75 PB großen Speichersysteme aufgestellt sind.
Die den Xen-virtualisierten IT-Diensten zugrunde liegende Speicherarchitektur wurde auf CEPH migriert und erlaubt es nun die Dienste frei auf 2 Lokationen im Hauptgebäude und im Präzisionslabor zu verteilen und im Betrieb zu verschieben. Um höchste Verfügbarkeit zu gewährleisten ist der gemeinsame Speicher dabei sogar auf 3 Standorte verteilt.
Der Schwerpunkt der Arbeit der IT-Gruppe liegt derzeit auf der weiteren Absicherung des Institutsnetzwerks durch Verschärfungen bei den Regeln für die Institutsfirewalls und die VPN-Zugänge zu den Instituts-, Labor- und Präzisionslabor-Netzwerken, sowie der Unterstützung von Mitarbeitern beim Umgang mit IT-gestützten Angriffen, deren Intensität in den letzten Jahren erheblich zunahm. Die Schulung der Mitarbeitenden zur Erkennung und zum Umgang mit Cyberangriffen wurde weiter intensiviert. An der Einführung einer Zwei-Faktor-Authentifizierung für den Zugang von Außen wird derzeit gearbeitet.
Vor diesem Hintergrund hat die IT-Gruppe ein Identity Management-System eingeführt und aktualisiert, das trotz Beibehaltung betriebssystemübergreifender Standards wie OpenLDAP auch durch eine Active-Directory-Impementierung die Integration der Windows-Betriebssystemwelt verbessert und die feingranulare Vergabe von Benutzerrechten im Institut ermöglicht und damit einigen verbreiteten Angriffsszenarien vorbeugt. mehr

Die Wissenschaftliche Einrichtung Röntgenographie führt Röntgenbeugungsmessungen an Pulvern im Labor, an Synchrotron- und Neutronenquellen unter Umgebungs- und Nicht-Umgebungsbedingungen durch. Forschung innerhalb der Gruppe bezieht sich maßgeblich auf die Bestimmung von Kristallstrukturen, mikrostrukturellen Eigenschaften (Strain, Domänengröße, qualitative und quantitative Analyse von Stapelfehlern) und nanoskalige Strukturzustände von kristallinen Festkörpern aus Röntgenbeugungsdaten an Pulvern. Zusätzlich werden methodische Entwicklungen auf diesem Gebiet vorangetrieben. Wissenschaftliche Kooperationen auf allen Gebieten der routinemäßigen und nicht-routinemäßigen Analyse von Röntgenbeugungsdaten an Pulvern werden angeboten, insbesondere bei der Lösung und Verfeinerung von Kristallstrukturen. Längerfristige Forschungsprojekte beschäftigen sich mit der Struktur-Eigenschaftsbeziehungen funktionaler Materialien (z. B. thermochrome-, photochrome-, elektronische und magnetische Materialien, Baustoffe, "springende Kristalle"), der Strukturaufklärung und der Charakterisierung von Korrosionsphasen historischer Objekten im Hinblick auf die Entwicklung passender Konservierungsstrategien. Weiterhin werden amorphe, fehlgeordnete und nanostrukturierte Materialien mittels Röntgenbeugungsmethoden und der Paarverteilungsfunktion (PDF) Analyse eingehend untersucht, z. B. semikristalline und amorphe Polymere oder Pharmazeutika. Die Gruppe untersucht weiterhin Phasenbildungs- und Umwandlungsmechanismen mittels in-situ Röntgenbeugungsexperimenten unter anderem während der konventionellen lösungsmittelbasierenden oder der mechanochemischen Synthese von funktionellen Materialen oder während Ladung von Gasen in metall-organischen Raumnetzstrukturen (MOFs) etc. Es werden regelmäßig Vorlesungen und Workshops zu kristallographischen Themen angeboten und Lehrbücher verfasst. mehr

Die zentrale Informationsvermittlungsstelle für die Institute der chemisch-physikalisch-technischen Sektion (IVS-CPT) der MPG bietet deren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern die Möglichkeit, Datenbankrecherchen durchführen zu lassen, die für sie selbst zu aufwendig oder zu komplex sind, oder Daten zu recherchieren, auf die sie keinen Zugriff haben. Im Vordergrund stehen dabei die fachspezifischen Literatur- und Patent-Datenbanken sowie die bei Web of Science und Scopus angebotenen fachübergreifenden Zitationsdatenbanken. Die Erstellung von Zitationsanalysen im Rahmen der Forschungsbewertung ist ein wichtiges Betätigungsfeld der IVS-CPT geworden. Die Ermittlung aussagekräftiger Indikatoren und die angemessene Interpretation solcher Daten bedarf einiger Erfahrung und fundierter Hintergrundinformation. Deshalb beteiligen sich die Mitarbeitenden der IVS-CPT an diversen Forschungsprojekten und publizieren auf den stark wachsenden Gebieten der Bibliometrie und Altmetrie. mehr

In der Wissenschaftlichen Einrichtung Kristallzucht werden qualitativ hochwertige Einkristalle aus der Schmelze, der Lösung oder der Gasphase gezüchtet, um deren interessante physikalische Eigenschaften zu untersuchen. Dabei kommen verschiedene Techniken zum Einsatz, das optische Floating-Zone-Verfahren (OFZ), die Flux-Methode, chemischer Gasphasentransport (CVT), das Bridgman-Verfahren sowie Wachstum unter hydrothermalen Bedingungen. In Zusammenarbeit mit der Abteilung Takagi können Kristalle unter hohem Druck gezüchtet werden. Ein OFZ-Ofen der unter hohen Gasdrücken arbeitet wurde gemeinsam mit der Abteilung Keimer entwickelt.
Fortwährendes Interesse besteht an Kristallen der Cupratverbindungen wie YBa₂Cu₃O_7-d, um weitergehende Untersuchungen der supraleitenden Eigenschaften durchzuführen. Solche Kristalle werden mit der Flux-Methode gezüchtet. Über Gasphasentransport wurden Kristalle von Ta₂NiSe₅ erhalten. Ta₂NiSe₅ ist möglicherweise ein exzitonischer Isolator. Viele experimentelle Ergebnisse deuten auf den exzitonischen Charakter des Phasenübergangs hin. Es wird jedoch zunehmend klarer, dass der Übergang nicht rein exzitonisch beschrieben werden kann und dass die tatsächliche Sachlage komplizierter ist. Der zusammen mit der Abteilung Keimer entwickelte OFZ-Ofen für hohen Gasdruck kommt im Nickelat-Projekt zum Einsatz. Dünne Schichten von sogenannten infinite-layer Nickelaten sind supraleitend und weisen Analogien zu Hoch-Tc-Cupraten auf. Im OFZ-Ofen wurden unter hohem Sauerstoffdruck verschiedene Nickelate RNiO₃ des Perowskit-Typs gezüchtet, aus denen durch Reduktion mit CaH₂ infinite-layer Nickelate erhalten wurden. Allerdings zerbrachen die Kristalle im Laufe der Reaktion. Dennoch konnten die metallischen Eigenschaften der Bruchstücke gemessen werden, welche eher denen der Dünnschichtproben gleichen als den Eigenschaften von Pulverproben. mehr

Die wissenschaftliche Einrichtung Dünnschichttechnologie bietet die Möglichkeit, komplexe, epitaktisch gewachsene Dünnfilme und Heterostrukturen auf Oxidbasis für alle Mitglieder des MPIs für Festkörperforschung herzustellen und zu charakterisieren. Unter Verwendung von Laserdeposition (PLD), Oxid-basierter Molekularstrahlepitaxie (MBE) und reaktivem Sputtern werden komplexe Oxide wie Kuprate, Manganate, Nickelate, Cobaltate, Vanadate, Ruthenate, Iridate und viele weitere synthetisiert. Unsere Forschungsinteressen können in drei Kategorien unterteilt werden: (i) Die Entwicklung von State-of-the-art Instrumenten zur Herstellung neuer oxidischer Dünnfilme und zur Gewährleistung möglichst defektfreier Materialien. (ii) Die Erforschung der Physik und der Chemie an Grenzflächen der Oxide. (iii) Die Entwicklung elektronischer Bauteile auf Basis neuartiger Oxide. Insbesondere arbeiten wir eng mit den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Abteilungen Keimer, Maier und Takagi zusammen. Neben diesen Abteilungen kooperieren wir auch mit anderen wissenschaftlichen Einrichtungen wie der Gruppe für Elektronenmikroskopie. Zusätzlich gewährleisten wir die Möglichkeit dünne Schichten von Metallen (Au, Pt, usw.) und Isolatoren (TiO₂, Al₂O₃, usw.) aufzutragen, Kontakte mit bestimmten Strukturierungen aufzudampfen und physikalische Eigenschaften wie Thermoelektrizität, Widerstand und Induktivität zu messen sowie strukturelle Analysen wie Röntgenbeugung und Rasterkraftmikroskopie durchzuführen. mehr

Die Wissenschaftliche Einrichtung Grenzflächenanalytik untersucht die atomare und elektronische Struktur von Grenzflächen und Oberflächen an Festkörpern. Elektronenspektroskopie und -beugung, Rastersondenmikroskopie und Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS) analysieren atomare Geometrie und Morphologie, chemische Zusammensetzung und Bindungsverhältnisse sowie die elektronische Struktur an der Probenoberfläche und – durch Sputtertechniken und Spaltmethoden – in dünnen Filmen und Grenzschichten. Ein Flugzeit-SIMS (TOF-SIMS) dient der quantitativen chemischen Analyse und Profilierung. Chemische und elektronische Eigenschaften werden über die Photoemission aus Rumpfniveaus und Valenzbändern (XPS, ARPES) untersucht. Die kristallographische Struktur wird mit der Beugung langsamer Elektronen (LEED) ermittelt. Die Gruppe forscht an Wachstum und Analyse neuartiger Materialien, insbesondere dünnen Graphenlagen auf Siliziumkarbid (SiC). Quasifreistehende und großflächig homogene epitaktische Graphenfilme werden auf SiC hergestellt und ihre elektronische Struktur durch Transferdotierung und atomarer Interkalation maßgeschneidert und mittels ARPES analysiert. Für die Untersuchung der elektronischen Struktur, sowie der chemischen Zusammensetzung auf mikroskopischer Skala steht ein Photoemissionselektronenmikroskop (PEEM) zur Verfügung. Daneben werden Strahlzeiten an diversen Elektronensynchrotron-Einrichtungen durchgeführt. mehr

Im Jahr 2011 wurde der 1988 erbaute Reinraum – zuvor eine Einrichtung der Abteilung v. Klitzing – ein zentraler Teil der neu installierten Wissenschaftlichen Einrichtung Nanostrukturlabor (NSL). Studenten des Institutes und des NSL-Teams prozessieren Proben mittels optischer Photolithographie, führen nass- und trockenchemische Ätzprozesse durch, deponieren bzw. wachsen Material unter Vakuum. Zur Herstellung von Strukturen bis unter 10 nm stehen zwei komplementäre Anlagen zur Elektronenstrahl-Lithographie mit insgesamt Beschleunigungsspannungen von 0,1 kV bis 100 kV zur Verfügung. Ein fokussierter Ionenstrahl erlaubt unter elektronenmikroskopischer Sicht das Schneiden und Formen von Proben. Studenten haben Zugang zu Rasterelektronenmikroskopen der neusten Generation, ausgestattet mit den Analysetechniken EBIC, EDX, EBSD, sowie mit einem Rastersondenmikroskop in der REM-Kammer. Die Infrastruktur zeichnet sich dadurch aus, dass sie von einer Vielzahl von Studenten parallel genutzt wird, vielfältige Materialien prozessiert werden können, wobei Querverunreinigungen minimiert werden, und neben 4-Zoll-Scheiben vor allem kleine Probenstücke (typical 5 mm auf 5 mm) handhabbar sind. Die Prozessierungs- und Charakterisierungsmöglichkeiten werden kontinuierlich verbessert und ausgebaut. Insbesondere werden derzeit Möglichkeiten geschaffen, unter Ausschluss von Luftfeuchte und Sauerstoff Materialien zu charakterisieren und zu Bauelementen zu formen. mehr