Leibniz-Institut für Kristallzüchtung Annual Report Leibniz-Institut für Kristallzüchtung 2019 im Forschungsverbund Berlin e. V. 2019 Annual Report Annual Report Leibniz-Institut für Kristallzüchtung im Forschungsverbund Berlin e. V. 2019 2 IKZ Annual Report 2019 Preface Die Umstrukturierung betraf jedoch nicht nur die wissen- schaftlichen Abteilungen, sondern auch die administrati- ven und technischen Dienste. Im administrativen Bereich haben wir insbesondere unser Team für Öffentlichkeits- arbeit zur Förderung der Kommunikation gestärkt. Für wichtige Aufgaben im Bereich Service & Transfer wurde die neue strategische Einheit Wissenschaftsmanagement eingerichtet. Im Hinblick auf die technischen Dienste haben wir unsere Techniker in einem Pool zusammen- gefasst, um flexibel auf die Bedürfnisse des Instituts ein- zugehen und einen Wissenstransfer zwischen den ver- schiedenen Einheiten zu intensivieren. Das Jahr 2019 verzeichnete auch einen der größten wis- senschaftlichen Erfolge in der Geschichte des Instituts: Am 20. Mai 2019, dem Welttag der Metrologie, wurde als letzter Schritt die weltweite Neudefinition der Massen- einheit Kilogramm (kg) eingeführt, um endlich alle sieben SI-Einheiten der Physik auf fundamentale Naturkon- stanten zu beziehen. Die isotopenreinen & defektfreien 28Si-Kristalle des IKZ, die über viele Jahre unter der Pro- jektleitung der Physikalischen Technischen Bundesanstalt (PTB) entwickelt wurden, bilden die Grundlage eines An- satzes, der die etwa 130 Jahre alte, aber zu ungenaue Photo: Tina Merkau © IKZ kg-Definition auf der Basis eines Platinum-Iridium (Pt-Ir) Metallkörpers aus dem internationalen Büro für Maß und Gewicht (BIPM) in Sèvres ersetzt. Mit anderen Wor- ten: Das IKZ ist der einzige Ort auf diesem Planeten, an dem diese Präzision bei der 28Si-Kristallzüchtung erreicht wird. Die Kristalle aus unserem Institut beeinflussen so- Sehr geehrte Leserinnen mit das tägliche Leben eines jeden Menschen „maßgeb- und Leser, lich“ über eine präzise Grundlage für die kg-Metrologie. das Jahr 2019 brachte die offizielle Bestätigung der Letztendlich ist die Qualifikation junger Menschen eine erfolgreichen Leibniz-Evaluation des IKZ, die wir in den wichtige Aufgabe unseres Instituts, und ich möchte allen vergangenen Jahren durch intensive Arbeit auf vielen unseren leitenden Wissenschaftlern danken, die sich Ebenen vorbereitet haben: aktiv an den Aufgaben der Doktorandenausbildung betei- Der Senat der Leibniz-Gemeinschaft hat im Sommer 2019 ligen. Fünf junge Kollegen konnten im Jahr 2019 ihre Dok- die positive Förderempfehlung veröffentlicht, so dass torarbeit mit besten Ergebnissen erfolgreich verteidigen die Zukunft unseres Instituts für die kommenden sieben und fanden Arbeitsplätze in unterschiedlichen Bereichen Jahre innerhalb der Leibniz-Gemeinschaft gesichert ist. wie Industrie, Forschung, Bildung und Kommunikation. Mehr noch: Unsere neue, erweiterte IKZ Innovationsstra- Fünf junge Nachwuchsforschergruppen haben auch 2019 tegie im Bereich Forschung & Entwicklung (F & E) zu kris- ihre Arbeit zu strategischen Themen in verschiedenen tallinen Materialien fand volle Unterstützung. In den Abteilungen aufgenommen, und ein erster beeindrucken- kommenden Jahren wird es daher in unserer Verantwor- der Erfolg ist die Bewilligung des ersten ERC Grants des tung liegen, mit dieser Strategie die weltweit führende IKZ sowie ein großes ForMikro-Projekt des BMBF. Vorreiterposition des IKZ als internationales Kompetenz- Bitte lesen Sie für weitere Details meinen ausführlicheren zentrum für kristalline Materialien zu stärken. Bericht über das Jahr 2019 auf den folgenden Seiten. Erste wichtige Maßnahmen wurden von uns bereits 2019 Wir wünschen Ihnen eine informative & unterhaltsame ergriffen, um diese Strategie in die Praxis umzusetzen! Lektüre des IKZ-Jahresberichts 2019! Um interdisziplinäre Forschungsaktivitäten zu fördern, haben wir das Institut im April 2019 durch vier neue wis- Mit freundlichen Grüßen senschaftliche Abteilungen in einer 2 x 2-Matrixstruktur neu strukturiert. Jede Abteilung besteht aus zwei zusam- menhängenden Sektionseinheiten mit weiteren wissen- schaftlichen Untergruppen. Thomas Schröder IKZ Annual Report 2019 3 Preface Dear Readers, the year 2019 brought the official confirmation of IKZ´s Finally, qualification of young people is an important task successful Leibniz evaluation which we prepared over of our institute and I wish to thank all our senior scien- the past years by intensive work on many levels: tists actively engaged in Phd graduation tasks. Five young The Senate of the Leibniz Association published in Sum- colleagues could successfully defend their PhD work with mer 2019 the positive funding recommendation so that best results in 2019 and found jobs in fields as different our institute´s future is secured for the coming seven as industry, research, education & communication. Five years within Leibniz. Even more, our new extended IKZ young junior research groups started furthermore their research & development (R & D) innovation strategy in the work in 2019 on strategic topics in different departments area of crystalline materials became fully supported. In and first impressive success is given by the approval of the coming years, it will thus be our responsibility to work IKZ´s first ERC grant plus a big BMBF ForMikro project. along these strategy guidelines to strengthen IKZ´s world- Please consult for further details my more detailed report wide leading flagship position as international center of on the year 2019 on the following pages. competence for crystalline materials. We wish you an informative & entertaining lecture of First important action was already taken by us in 2019 to IKZ´s Annual Report 2019 ! put this strategy in practice ! To promote interdisciplinary research activities, we restructured the institute in April With best regards 2019 by four new scientific departments in a 2 x 2 matrix structure. Each department is composed of two related section units with further scientific sub-groups. The re- structuring however did not only affect the science de- Thomas Schroeder partments but also administrative and technical services. In the administrative area, we consolidated in particular our public relation team to promote communication and established our new strategic science management unit for important tasks in service & transfer. With respect to the technical services, we grouped our technicians into a pool to serve the needs of the institute in a flexible way and create knowledge transfer across different units. The year 2019 also marked one of the biggest scientific successes in the institute´s history: On 20th May 2019, the world day of metrology, the new worldwide definition of the kilogram (kg) mass unit was put in place as last step to finally relate all seven SI units in physics to fun- damental natural constants. IKZ´s isotope pure & defect free 28Si crystals, developed over many years of R & D under the project guidance of the German “Physikalische Technische Bundesanstalt (PTB)”, form the very basis of one approach to replace the about 130 year old, but too inaccurate kg definition based on a Pt-Ir metal body which is stored at the International Bureau of Weights and Measures in Sèvres. In other words: IKZ is the only place on this planet to achieve this precision in 28Si crystal growth and crystals from our institute thus fundamentally influence everybody´s daily life. Content 2 Preface 6 The Institute 39 Volume Crystals 49 Nanostructures & Layers 57 Materials Science 67 Application Science 73 Appendix Content 6 IKZ Annual Report 2019 The Institute Photo: Lothar M. Peter © IKZ Leibniz-Institut für Kristallzüchtung im Forschungsverbund Berlin e.V. Founded 1992 Part of Forschungsverbund Berlin e.V. Member of the Leibniz Association IKZ Annual Report 2019 7 The Institute Das Leibniz-Institut für The Leibniz Institute Kristallzüchtung (IKZ) for Crystal Growth ist ein internationales Kompetenzzentrum für Wissen- is an international competence center for science & schaft & Technologie sowie Service & Transfer im Be- technology as well as service & transfer for crystalline reich kristalliner Materialien. Das Spektrum der materials. The R&D activities cover basic and applied Forschung und Entwicklung reicht dabei von Themen research up to pre-industrial development. der Grundlagen- und angewandten Forschung bis hin zu vorindustriellen Forschungsaufgaben. Crystalline materials are the key to the realization of electronic and photonic solutions to social challenges. Kristalline Materialien sind technologische Schlüssel- This includes artificial intelligence (communication, sen- komponenten zur Realisierung von elektronischen und sor technology, etc.), energy (renewable energies, ener- photonischen Lösungen für gesellschaftliche Heraus- gy conversion etc.) and health (medical diagnostics, forderungen. Hierzu gehören künstliche Intelligenz modern surgical instruments etc.). The IKZ develops in- (Kommunikation, Sensorik etc.), Energie (erneuerbare novations in crystalline materials by combining in- Energien, Energiewandlung etc.) und Gesundheit (medi- house expertise in equipment engineering, numerical zinische Diagnostik, moderne chirurgische Operations- simulation and crystal growth to provide highest quali- instumente etc.). Das IKZ erarbeitet Innovationen ty crystalline materials with tailored properties. in kristallinen Materialien durch eine kombinierte Ex- pertise im Haus, bestehend aus Anlagenbau, numeri- In the future, the institute will also intensify its