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Prof. Dr. Karl Leo - Gottfried Wilhelm Leibniz-Preisträger 2002

Prof. Dr. Karl Leo

Prof. Dr. Karl Leo

Karl Leo studierte Physik an der Universität Freiburg und verfasste am dortigen Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme seine Diplomarbeit. Nach der Promotion am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart ging er zunächst für zwei Jahre zu den AT&T Bell Laboratories in den USA und danach an das Institut für Halbleitertechnik der RWTH Aachen. 1993 hat er sich dort habilitiert und noch im gleichen Jahr den Ruf auf eine C4-Professur für Optoelektronik am Institut für Angewandte Photophysik der TU Dresden angenommen.

Karl Leos Forschungsinteresse gilt der Halbleiteroptik und der Physik dünner organischer Schichten. Seine frühen Arbeiten zu Erzeugung und Nachweis kohärenter Oszillation in Halbleitern haben für die Ultrakurzzeit-Spektroskopie neue Möglichkeiten eröffnet. Darüber hinaus ist es ihm gelungen, durch den kontrollierten Aufbau organischer Festkörper neue Bauelementekonzepte zu verwirklichen. Dazu gehört die Herstellung organischer Leuchtdioden mit den weltweit niedrigsten Betriebsspannungen. Für seine wissenschaftlichen Arbeiten erhielt Karl Leo die Otto-Hahn-Medaille der Max-Planck-Gesellschaft und den Benningsen-Förderpreis des Landes Nordrhein-Westfalen.

Lebenslauf

Name:  Karl Leo 

Geburtsort:  Freiburg i. Br. 

Eltern:  Karl und Dr. med. Margot Leo, geb. Hoffmann 

Familienstand:  verheiratet mit Elke Leo geb. Haas, 2 Kinder 

 

Schulbildung 

1966-1970  Volksschule St. Georgen i. Schw. 

1970-1979  Gymnasium St. Georgen i. Schw. 

 

Wehrdienst 

1980-1981  Flugzeugmechaniker 

 

Ausbildung 

1980-1985  Physikstudium an der Univ. Freiburg i. Br., Diplomarbeit am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme unter Anleitung von Prof. Dr. A. Goetzberger 

1986-1988  Anfertigung einer Doktorarbeit am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung, Stuttgart, unter Anleitung von Prof. Dr. H. Queisser; Promotion an der Universität Stuttgart ("mit Auszeichnung") 

 

Berufliche Tätigkeit 

1989-1991  Wissenschaftlicher Angestellter (Postdoc) bei den AT&T Bell Laboratories in Holmdel, NJ, USA, gefördert als Otto-Hahn-Stipendiat der Max-Planck-Gesellschaft 

1991-1993  Oberingenieur am Institut für Halbleitertechnik, Lehrstuhl II, RWTH Aachen (Prof. Dr. Heinrich Kurz) 

Mai 1993  Habilitation im Fach Physik an der RWTH Aachen 

seit 11/93  Professur (C4) für Optoelektronik am Institut für Angewandte Photophysik der Technischen Universität Dresden 

 

Auszeichnungen 

1989  Otto-Hahn-Medaille der Max-Planck-Gesellschaft 

1992  Rudolf von Bennigsen-Förder Preis des Landes Nordrhein-Westfalen

Forschungsschwerpunkte

Die beiden Schwerpunkte meines Forschungsinteresses liegen im Bereich der experimentel-len Festkörperphysik. Zum einen beschäftige ich mich mit dem Transport von Elektronen in Festkörpern bei sehr hohen Feldern; zum anderen mit den Eigenschaften neuartiger, organischer Halbleiter und ihren Bauelementanwendungen.

Die Grundlagen des ersten Forschungsschwerpunkts sind uns aus dem Alltag wohlbekannt: Wenn an einen leitfähigen Festkörper eine Spannung angelegt wird, so fließt ein zur Spannung proportionaler Strom. Mikroskopisch beruht dieses sogenannte Ohmsche Gesetz darauf, dass die Elektronen im elektrischen Feld beschleunigt werden, bis sie schließlich auf ein Hindernis stoßen und abgebremst werden. Danach werden sie vom elektrischen Feld wiederum beschleunigt; im Mittel stellt sich die sog. Driftgeschwindigkeit ein.

Obwohl Festkörper aufgrund ihres Aufbaus aus Atomen quantenmechanische Objekte sind, verhält sich das Elektron hier ganz analog zu einem klassischen physikalischen Objekt: Seine Bewegung kann beispielsweise mit einem Ball verglichen werden, der einen bewaldeten Hang hinabrollt: Auch hier wird der Ball im zeitlichen Mittel ständig bergab rollen, wobei seine mittlere Geschwindigkeit durch eine Balance zwischen Beschleunigung und Auftreffen gegen Bäume bestimmt wird.

Legt man nun ein sehr hohes elektrisches Feld an den Festkörper an, so treten völlig andere Effekte auf: Bereits vor mehr als 70 Jahren sagten Bloch und Zener voraus, dass dann die Elektronen nicht mehr mit dem Feld driften, sondern an einem Ort oszillieren sollten. Diese sog. Bloch-Ozillationen, die auf der Kohärenz (Existenz einer definierten Phasenrelation) der elektronischen Wellenfunktionen beruhen, galten als nicht nachweisbares Kuriosum, bis es 1992 erstmals gelang, diese Bewegung in einem Halbleiter-Übergitter zu beobachten.

In den letzten Jahren habe ich mich mit der Gruppe in Dresden intensiv mit der Erforschung dieses Phänomens beschäftigt: 1997 gelang es uns, die räumliche Bewegung, die auf einer Skala von Nanometern (10-9 m) und Pikosekunden (10-12 s) stattfindet, erstmals direkt räumlich und zeitlich zu beobachten und nachzuweisen, dass die Elektronen tatsächlich im Takt harmonisch hin und her schwingen. In weiteren Untersuchungen konnten wir zeigen, dass sich diese Bewegung durch die optische Anregung der Elektronen steuern lässt und dass man die durch die quantenmechanische Wellennatur der Elektronen verursachten Effekte nutzen kann, um die Elektronen nahezu beliebige Bewegungen ausführen zu lassen.

Bereits 1934 hatte Zener vorhergesagt, dass diese Oszillationen dadurch stark gedämpft werden, dass die Elektronen die engen Bandbereiche des Festkörpers verlassen. Im letzten Jahr gelang es uns erstmals, diesen Effekt direkt zu beobachten und seine Zeitskala zu vermessen.

Obwohl diese Untersuchungen fundamentaler Transporteffekte auf den ersten Blick esoterisch erscheinen mögen, hat mich daran immer fasziniert, dass sie auch unmittelbar für Anwendungen relevant sind: Zum einen werden in modernen Bauelementen durch die immer kleineren Abmessungen und höheren Arbeitsgeschwindigkeiten die Bereiche des Hochfeldtransports zunehmend erreicht; zum anderen ist es unter Umständen möglich, durch die Bloch-Oszillationen ein Bauelement zu realisieren, das abstimmbare Mikrowellenstrahlung emittiert. Kürzlich gelang es uns erstmals, zu zeigen, dass dieser Schwingungsbewegung Strahlungsleistung entnommen werden kann und damit ein Laser prinzipiell möglich ist.