Contact

Prof. Dr. Jürgen Faßbender

Director
Institute of Ion Beam Physics and Material­s Research
j.fassbenderAthzdr.de
Phone: +49 351 260 3096

Prof. Dr. Manfred Helm

Director
Institute of Ion Beam Physics and Material­s Research
m.helmAthzdr.de
Phone: +49 351 260 2260

The International Helmholtz Research School NanoNet is a structured doctoral program promoting the education of the next generation of scientists in nano-electronics. The program is an initiative of the HZDR in a joint collaboration with the TU Dresden, Leibniz Institute of Polymer Research Dresden, Fraunhofer Institute for Ceramic Technologies and Systems, and NaMLab gGmbH.

Bachelor, Master, Diploma, and PhD Theses

The following list is a guide to current topics available at the Institute of Ion Beam Physics and Materials Research for bachelor, master, diploma, or PhD theses. The individual work plan will be adapted to the corresponding examination regulations, e.g. such that a PhD thesis can be finished within three years, respectively one year for a master/diploma thesis.
The theses will be academically supervised by the directors of the institute Prof. Manfred Helm or Prof. Jürgen Fassbender at the Technischen Universität Dresden. It is possible to co-supervise theses from other universities of applied sciences (Fachhochschulen) etc. if realized at the institute.
Concerning PhD theses the same topics like for master- or diploma theses apply, however funds must be available. Please contact one of the directors in case you are interested. Further information concerning allowances for master/diploma theses or salary for PhD positions will be given by the directors of the institute (M.Helm@hzdr.de, Tel. 260 2260; J.Fassbender@hzdr.de, Tel. 260 3096).

For questions regarding the topic please ask the individual contact persons listed.


Open PhD positions:

Right now, there are the following PhD positions available:

  • Epitaxy and optical characterization of III-V semiconductor nanowires
    Tasks: Growth experiments using molecular beam epitaxy, characterization of nanowires with electron microscopy and optical/electrical methods, simulation of heterostructures with software packages (e.g. nextnano).
    Qualification: The ideal candidate would have a very good Master's degree in physics, materials science or electrical engineering (or any other relevant field), a strong background in solid-state physics (experience in a semiconductor laboratory is advantageous), and very good English language skills.
    For further information click here (PDF).
    Contact: Dr. Emmanouil Dimakis

Topics for Bachelor, Master, and Diploma Theses:

Ion Beam Center
Magnetism
Scaling Phenomena
Spectroscopy
Semiconductor Materials


Ion Beam Center

  • Ionenstrahlanalytik
    (experimentell, 2 - 36 Monate)

    Zur Unterstützung unserer aktuellen Neu- und Weiterentwicklungen auf dem Gebiet der Ionenstrahlanalytik suchen wir Studentinnen und Studenten, die ihre Bachelor-, Master-, Diplom- oder Doktorarbeit (2 - 36 Monate) u.a. in den Fachgebieten Physik, Chemie, Elektrotechnik, Informatik, Materialwissenschaften und Maschinenbau durchführen wollen und insbesondere Interesse an experimenteller Arbeit haben.

    Nähere Informationen mit welchen Themen wir uns zur Zeit beschäftigen finden Sie hier.

  • Selbstorganisation durch Ionenbeschuss
    (experimentell und theoretisch)

    Beschießt man Oberflächen mit niederenergetischen Ionen, so entstehen unter bestimmten Bedingungen regelmäßige Wellen- oder Punktstrukturen mit einer Periodizität von einigen zehn Nanometern. Die Entstehung dieser Strukturen basiert auf dem Zusammenspiel von krümmungsabhängiger Erosionsrate, welche die Oberfläche aufraut, und Glättung der Oberfläche durch Diffusion. Viele Aspekte dieses Selbstorganisationsprozesses sind noch nicht geklärt und sollen im Vergleich zwischen Experiment und theoretischer Modellierung erkundet werden. Gefragt sind experimentelles Geschick und Erfahrung in mathematischer Modellierung, z.B. mit Matlab.

    Kontakt: Dr. Stefan Facsko, Ioneninduzierte Nanostrukturen

  • Energieeintrag von hochgeladenen Ionen in Oberflächen
    (experimentell)

    Die Wechselwirkung von vielfach ionisierten Atomen mit Oberflächen ist eine sehr neue und vielversprechende Forschungsrichtung. Die hohe Potentialenergie dieser Ionen wird in eine sehr dünne Oberflächenschicht eingetragen, so dass neue Anwendungen für die Oberflächentechnik oder die Halbleitertechnologie denkbar werden. Die Arbeit erfordert Phantasie und Geschick im Experimentellen und nur wenig Theorie.

    Kontakt: Dr. Stefan FacskoIoneninduzierte Nanostrukturen


Department of Magnetism

  • Herstellung und Charakterisierung magnetischer Multilagensysteme für Funktionsmaterialien
    (experimentell)
    Typische Arbeiten in unserer Gruppe beschäftigen sich mit der Deposition (Magnetron Sputtern oder MBE) und strukturellen sowie magnetischen Charakterisierung von Dünnschichtsystemen und Nanostrukturen mit dem Ziel der Optimierung ihrer Eigenschaften für den Einsatz als magnetische Funktionsmaterialien im Bereich der Datenverarbeitung, Datenspeicherung und Sensorik. Die spezielle Charakterisierung kann hierbei auch in enger Zusammenarbeit mit einer oder mehrerer anderer Gruppen der Magnetismusabteilung abgestimmt werden. Typische Materialsysteme erstrecken sich von Multilagenschichten mit senkrechter Anisotropie über Austauschlagen-gekoppelte Schichten bis hin zu lateral nanstrukturierten oder granularen Systemen.
    Kontakt: Prof. Dr. Olav Hellwig, AG Magnetische Funktionsmaterialien
  • Ferromagnetische Resonanz einzelner Nanostrukturen mittels Mikroresonator-FMR
    (experimentell)
    Magnetische Nanostrukturen bilden die Grundbausteine für viele neuartige Anwendungsgebiete. Die Charakterisierung dieser Elemente z. B. mittels ferromagnetischer Resonanz ist aufgrund der kleinen Signale jedoch sehr diffizil. Lithographisch hergestellte Mikroresonatoren ermöglichen dennoch die Messung solcher Signale. Ziel dieser Arbeit ist die Herstellung der Resonatoren und Nanostrukturen mittels Elektronenstrahllithographie um, so die magnetischen Eigenschaften dieser Strukturen mittels ferromagnetischer Resonanz zu untersuchen.
    Kontakt: Dr. Kilian Lenz, AG Magnetisierungsdynamik

  • Magnonische Kristalle, hybride magnetische Materialien
    (experimentell)
    Als magnonische Kristalle werden künstlich hergestellte, magnetische Nanostrukturen bezeichnet. Diese Nanostrukturen werden mittels Elektronenstrahl-Lithographie hergestellt. Magnonische Kristalle weisen im Gegensatz zu normalen dünnen magnetischen Schichten neuartige und unerwartete Eigenschaften auf, die hier mittels modernster ferromagnetischer Resonanz (FMR) genau untersucht werden sollen. Das Hauptaugenmerk liegt vor allem auf den unterschiedlichen Beiträgen zur magnetischen Dämpfung der Spinbewegung (Relaxation). Durch Analyse der FMR-Linienbreite können diese identifiziert und aufgeschlüsselt werden, um sie mit gängigen Modellen und Theorien zu vergleichen.
    Kontakt: Dr. Kilian Lenz, Dr. Kay Potzger, AG Magnetisierungsdynamik

  • Strukturelle und magnetische Eigenschaften von Materialien für die Energiewende
    (experimentell)
    Die Energiewende erfordert in vielen Bereichen neue Materialien und deren detaillierte Charakterisierung. In dieser Master/Diplomarbeit sollen für die Energiewende relevante Metallverbindungen bezüglich defektinduzierter strukturellen und magnetischer Eigenschaften hin untersucht werden. Schwerpunkte bei diesen grundlegenden Analysen sind die Korrosion als auch die Wasserstoffaufnahme.
    Kontakt: Dr. Kay Potzger
  • Wechselwirkung von Spinwellen mit Spinströmen
    (experimentell)
    Die Nutzung des Spinfreiheitsgrades von Elektronen und dessen kohärenter Transport ist ein zentraler Forschungsschwerpunkt moderner Festkörperphysik. Spinwellen, auch als Magnonen bezeichnet, sind die Anregungsquanten eines Ferromagneten und können über diverse Effekte mit Spinströmen, d.h. spinpolarisierten Elektronen, wechselwirken. Diese Wechselwirkung wird in einer Bachelor- bzw. Masterarbeit mit Hilfe magneto-optischer Methoden wie z. B. zeitaufgelöster Kerr-Mikroskopie und Brillouin-Lichtstreu-Mikroskopie charakterisiert.
    Kontakt: Dr. Helmut Schultheiss

  • Magneto-Plasmonik
    (experimentell)
    Plasmonen sind elektromagnetische Wellen, die entlang einer Metall-Dielektrikum Grenzfläche propagieren. Magnonen sind die fundamentalen Anregungen in magnetischen Materialien, die sich in Form von Wellen ausbreiten. Sowohl Plasmonen also auch Magnonen sind nicht nur von grundlagen-physikalischem Interesse, sondern auch potentielle Kandidaten fü̈r die Realisierung zukünftiger Informationstechnologien, die über die Elektronik hinausgehen. In einer Bachelor- bzw. Masterarbeit werden diese Forschungsfelder mithilfe magneto-optischer Effekte kombiniert und somit ein Beitrag zum Verständnis der zugrundeliegenden physikalischen Wechselwirkungen und hin zur technischen Nutzung geliefert.
    Kontakt: Dr. Helmut Schultheiss


Department of Scaling Phenomena


  • Charakterisierung nanomechanischer Resonatoren
    (Experiment; Dr. A. Erbe, T. 0351/260 2366, a.erbe(at)hzdr.de, AG Transportphänomene in Nanostrukturen)
    Nanomechanische Resonatoren bieten breite Anwendungsmöglichkeiten als Sensoren und sind auch für die Grundlagenforschung interessant, weil mit ihnen quantenmechanische mechanische Bewegung untersucht werden kann. Für beide Bereiche ist es allerdings notwendig, dass die mechanische Bewegung nicht zu stark gedämpft wird. Ursachen für Dämpfungsmechanismen auf der Nanometerskala sind noch weitgehend unbekannt. Ziel der Diplomarbeit ist es das Dämpfungsverhalten nanomechanischer Resonatoren durch systematische Variation von Größe der Resonatoren und Art der Umgebungsbedingungen zu untersuchen.

  • Molekulare Elektronik
    (Experiment; Dr. A. Erbe, T. 0351/260 2366, a.erbe(at)hzdr.de, AG Transportphänomene in Nanostrukturen)
    Stromtransport durch einzelne Moleküle eröffnet die Möglichkeit elektronische Bauelemente auf kleinstmöglichen Längenskalen zu produzieren. Für solche Anwendungen müssen die elektronischen Eigenschaften von Metall-Molekül Kontakten verstanden werden. Wir haben Techniken entwickelt, die die kontrollierte Kontaktierung einzelner Moleküle erlauben. Ziel der Diplomarbeit ist es, diese Techniken so zu erweitern, dass ferromagnetische Zuleitungen an die Moleküle angekoppelt werden können. In einem solchen System kann der Spin der Elektronen zur Steuerung der elektronischen Eigenschaften ausgenutzt werden.

    Molecular Electronics
    (Experiment; Dr. A. Erbe, T. 0351/260 2366, a.erbe(at)hzdr.de, AG Transportphänomene in Nanostrukturen)
    Current transport in single molecules opens the possibility to create electronic devices on the smallest possible length scale. For these application we need an understanding of the electronic properties of the metal molecule junctions. We developed methods to contact single molecules in a controllable manner. Aim of the theses is to develop these techniques to contact ferromagnetic leads to the molecules. Such a systems allows to use the spin of the electrons as a control variable.

  • Berechnung des Transports durch Nanostrukturen
    (Theorie; Dr. P. Zahn, T. 0351/260 3121, p.zahn(at)hzdr.de)
    Einzelne Nanostrukturen als Bausteine für zukünftige kleinste elektronische Funktionsstrukturen müssen besondere Anforderungen erfüllen: sie müssen ausgedehnte elektronische Zustände aufweisen, durch welche der Transport erfolgt, und über geeignete Kontaktstellen verfügen, die wohldefiniert an Elektroden anbinden und den Übergang von Ladungsträgern von und zu den Elektroden ermöglichen. Diese Voraussetzungen wie auch die Robustheit gegenüber chemischen und thermischen Umgebungseinflüssen unter Arbeitsbedingungen erlegen der Auswahl geeigneter Strukturen Randbedingungen auf, die im vorliegenden Projekt untersucht werden sollen. In enger Zusammenarbeit mit experimentellen Arbeiten zu Molekülen im mechanisch kontrollierten Bruchkontakt sowie an nanostrukturierten Materialien führen Sie numerische Simulationsrechnungen zu Stabilität und Transportverhalten durch, aus denen Sie allgemeinere Gesetzmäßigkeiten zu Zusammensetzung, Struktur und Größe geeigneter Nanostrukturen ableiten.

    Calculation of electronic transport in nanostructures
    (theory; Dr. P. Zahn, T. 0351/260 3121, p.zahn(at)hzdr.de)
    Single nanostructures have to fulfill certain conditions to allow for application as functional devices: electronic states which carry the current and contact positions for electrode coupling have to be provided. These prerequisites and their robustness against chemical and environmental effects should be investigated. Numerical simulations of stability and transport properties should point to composition, structure and size of appropriate nano-structures. A strong collaboration with experiments at molecules in mechanically-controllable break-junctions and at nano-structured materials is expected.

  • Stromtransport durch einzelne Moleküle mit mechanisch kontrollierbaren Bruchkontakten
    (Experiment; Dr. A. Erbe, T. 0351/260 2366, a.erbe(at)hzdr.de, AG Transportphänomene in Nanostrukturen)
    Einzelne Moleküle sollen als Bausteine für zukünftige Nanoelektronik genutzt werden. Um in einem ersten Schritt die elektronischen Eigenschaften der Moleküle zu untersuchen, müssen die Moleküle reproduzierbar kontaktiert werden und der Stromtransport durch die entstehenden Strukturen gemessen werden. Zu diesem Zweck wird die Methode der mechanisch kontrollierbaren Bruchkontakte angewandt. In dieser Methode wird ein metallischer Draht gezogen, bis er so dünn ist, dass nur noch ein einzelnes Atom an der Stromleitung teilnimmt. Weiteres Auseinanderziehen des Drahtes führt zu einem Tunnelkontakt zwischen zwei einzelnen Atomen, in den dann die Moleküle eingebunden werden können. Dieser Aufbau erlaubt die elektrische Charakterisierung einzelner Moleküle unter verschiedenen Umgebungsbedingungen.

  • Aktive Schwimmer in kolloidalen Suspensionen
    (Experiment; Dr. A. Erbe, T. 0351/260 2366, a.erbe(at)hzdr.de, AG Transportphänomene in Nanostrukturen)
    Kolloidale Teilchen können als Modellsysteme für Vorgänge auf der Mikro- und Nanometerskala verwendet werden. Teilchen, die halbseitig mit einer metallischen Kappe versehen sind, lassen sich durch katalytische Reaktionen in Bewegung versetzen. Diese Bewegung erinnert dann stark an die Bewegung von Bakterien. Studien in eingeschränkten Geometrien erlauben dann einen Einblick, wie sich Organismen zum Beispiel in Arterien fortbewegen.


Department of Spectroscopy

  • Efficient emitters for THz radiation

    (experimental)

    Generating electromagnetic radiation at THz frequencies has always been more challenging than in other frequency bands. Our goal is to improve the performance of current THz emitters and to design, fabricate and test new photoconductive THz emitters. Smallest features of these emitter device structures are µm and sub-µm. For device fabrication we use electron beam and photo lithography techniques. Device characterization makes use of ultrafast spectroscopic techniques with femtosecond lasers. Students interested in conducting research / pursuing a master thesis will participate in the following topics:

    • Optimizing material properties for THz device applications. Typical materials for THz emitters include semiconductors and nonlinear optical crystals: GaAs, InGaAs, Ge, Si, ZnTe, GaP, etc.

    • Improving antenna structures and overall device layout for more efficient THz emission.

    Contact: Dr. Abhishek Singh

  • Graphene related materials for optoelectronics

    (experimental)

    Monolayer graphene and bilayer graphene are semimetals with zero band gap. In bilayer graphene, however, a small band gap can be opened by applying an electric field perpendicular to the layer. Graphene of high structural quality features very high carrier mobilities, in particular, when the material is charge neutral.

    For experiments with ultrashort laser pulses, well characterized graphene monolayer and bilayer samples with different doping levels are needed. The main tools for characterization are Raman spectroscopy and Fourier-transform infrared spectroscopy. 

    Graphene offers various mechanisms that can be exploited for photodetection. Particularly strong photocurrents, exceeding one electron per photon, have been demonstrated for asymmetrically illuminated free-standing graphene flakes in magnetic fields. This is a hint for carrier multiplication at the edges of the sample. We intend to perform experiments on large-area samples of high quality that will enable to characterize the detection process not only in the visible spectral range but also in the mid-infrared and terahertz range.
    Contact: Dr. Stephan Winnerl

  • Growth and properties of III-V semiconductor nanowires
    (experimental)
    III-V compound semiconductors are a class of materials with outstanding electronic and optoelectronic properties (high electron mobility, wide range of direct energy band gaps, etc.). High-speed transistors, efficient light emitting diodes, and solid-state lasers are only some of the devices widely used in our everyday lives, e.g. in smart phones, blu-ray technology, wireless local-area networks, LED displays, etc. In the era of nanotechnology, we focus our research on new physical phenomena that occur in III-V nanostructures. Such phenomena may enhance the performance of the aforementioned devices or open ways to novel device architectures. Students interested in conducting research / pursuing a master thesis in our laboratory would be involved with one or more of the following topics:
    • growth of III-As (arsenide) nanowires and thin films by molecular beam epitaxy
    • investigation of their structural, electrical, and optical properties using x-ray diffraction, Hall-effect, photoluminescence, etc.
    • investigation of the growth mechanisms using in-situ reflectometry
    Contact: Dr. Emmanouil Dimakis


Department of Semiconductor Materials

We are continuously looking for Bacholar or Master (Diploma) students. If you are interested in working in our group, please contact the responsible persons.

  • Epitaxial growth of Ga2O3 thin films by pulsed laser deposition

Gallium oxide (Ga2O3) is in the focus of present-day investigations of the so-called ultra-wide band gap semiconductor materials (viz. band gaps wider than 3.x eV, GaN ZnO and SiC). Among the five known crystalline Ga2O3 polymorphs labeled as α-, β-, γ-, δ-, and ε-Ga2O3, the thermodynamically stable monoclinic β-Ga2O3 phase with a melting point of 1795°C is the most investigated because of its wide 4.8-eV band gap and high 8-MV/cm breakdown electric field. These unique properties make β-Ga2O3 a promising prospect for UV optoelectronic devices and high-power electronic applications. In this thesis, your task is to develop the growth of β-Ga2O3 thin films by pulsed laser deposition and measure their structural, optical and electrical properties.

Contact: Mao Wang (m.wang(at)hzdr.de) and Dr. Shengqiang Zhou (s.zhou(at)hzdr.de).

  • Superconducting Ge for quantum technology

Since the discovery of superconductivity in diamond [E. A. Ekimov, et al., Nature 428, 542 (2004)] with boron content above the equilibrium solid solubility many studies have been performed to find new “superconducting semiconductors”. Such a materials class would enable the monolithic integration of quantum and conventional electronics. Indeed, several groups found superconductivity even in the technological more relevant semiconductors like Si [E. Bustarret, et al. Nature 444, 465 (2006)], Ge [T. Herrmannsdörfer, et al., Phys. Rev. Lett. 102, 217003 (2009)] and SiC [T. Muranaka, et al., Sci. Technol. Adv. Mater., 9, 044204 (2008)] after heavy hole doping. It is an unresolved question whether superconducting semiconductor films and nanowires can be fabricated at all by todays’ top down selective doping technologies and which semiconductor-acceptor combination is most promising. Your task is to prepare superconducting, single crystalline Ge (film and nanowire) by ion implantation. You will measure the electrical and structure properties of the fabricated materials.

Contact: Dr. Slawomir Prucnal (s.prucnal(at)hzdr.de) and Dr. Shengqiang Zhou (s.zhou(at)hzdr.de).

  • Single color centers in silicon

Silicon nanophotonics has become one of the most promising photonic-electronic integrated platforms triggered by high demand in the realm of information technology to increase communication and computation bandwidth. This is mostly due to the very high refractive index contrast of Si with Si-based compounds and the maturity level of the existing complementary metal–oxide–semiconductor (CMOS) technology, which enables the fabrication of photonic integrated circuitry in a highly economic way. Waveguides and photodetectors have successfully been integrated in a Si photonic chip. However, the main difficulty nowadays in obtaining a fully photonic integrated circuitry lies in the development of an efficient light source, since the indirect nature of the Si band gap hinders efficient light emission for such a purpose. Your work will be devoted to create, in a controllable manner, single color centers in silicon by ion beam irradiation with nanometer-scale precision and their further integration into high-quality photonic cavities to achieve an efficient single-photon source.

Contact: Dr. Yonder Berencen (y.berencen(at)hzdr.de) and Dr. Georgy Astakhov (g.astakhov(at)hzdr.de).

  • Hyperdoped Si by deep level impurities

The hyperdoping of semiconductors consists of introducing dopant concentrations far above the solubility limits. This can be achieved by ion implantation and pulsed laser melting. Hyperdoing leads to a broadening of dopant energy level into an impurity or intermediate band. We have recently demonstrated that hyperdoping Si with Se or Te shows promise for Si-based short-wavelength infrared photodetectors [Y. Berencén, et al., “Room-temperature short-wavelength infrared Si photodetector” Sci. Rep. 7, 43688 (2017) and M. Wang et al., "Extended Infrared Photoresponse in Te-Hyperdoped Si at Room Temperature" Physical Review Applied 10, 024054 (2018) ]. The hyperdoped semiconductors are meta-stable materials and may undergo deactivation upon thermal processing even at low temperature. Your task is to investigate the effect of rapid thermal annealing on hyperdoped Si. You will measure the structural, electrical and optical properties and find their correlation.

Contact: Mao Wang (m.wang(at)hzdr.de) and Dr. Shengqiang Zhou (s.zhou(at)hzdr.de).




Contact

Prof. Dr. Jürgen Faßbender

Director
Institute of Ion Beam Physics and Material­s Research
j.fassbenderAthzdr.de
Phone: +49 351 260 3096

Prof. Dr. Manfred Helm

Director
Institute of Ion Beam Physics and Material­s Research
m.helmAthzdr.de
Phone: +49 351 260 2260

 
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