Ziel des Themenfeldes ist es, ultrapräzise Oberflächen für optische, photonische und zukünftige Quantentechnologien zu entwickeln. Dafür werden ultrapräzise Oberflächenbearbeitung mit einem tiefen Verständnis strahl- und plasmainduzierter Prozesse kombiniert. Im Mittelpunkt steht, das Zusammenwirken von Strahlwerkzeugen, Plasma- sowie Ionenstrahlprozessen holistisch zu verstehen und gezielt für die Bearbeitung optischer Oberflächen nutzbar zu machen. Ein Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung optischer und plasmadiagnostischer Verfahren, die eine nichtinvasive Untersuchung von Strahlwerkzeugen und strahlinduzierten Prozessen während der reaktiven Prozessführung erlauben. Ergänzend werden skalenübergreifende Modelle entwickelt, die sowohl ein detailliertes physikalisch-chemisches Prozessverständnis als auch eine direkte Prozessführung und -kontrolle ermöglichen. 

Darauf aufbauend wird das Potenzial der Kombination verschiedener Methoden erforscht, etwa der simultanen Bestrahlung von Oberflächen mit Ionen und Laserphotonen. Ziel ist es, Ätzraten, Selektivitäten und lokale Oberflächenkorrekturen kontrollieren zu können und ultrapräzise Strukturierungen mit hoher Ortsauflösung zu realisieren. Diese Arbeiten schaffen die Grundlage für neuartige optische und photonische Komponenten mit höchster Präzision.

Die Mikro- und Nanoelektronik erfordert Oberflächen, die nicht nur stabil, sondern aktiv schaltbar sind. Ziel des Themenfeldes ist die Entwicklung funktionaler Oberflächen und Schichtsysteme, deren Eigenschaften sich gezielt durch elektrische oder optische Stimuli verändern lassen. Hierfür werden Materialien und Schichtsysteme erforscht, die durch elektrische Stimuli oder Licht gezielt zwischen verschiedenen Funktionszuständen wechseln können. Dazu zählen schaltbare Schichten auf Basis von Metall-Isolator-Übergängen in Metalloxiden, redox-aktive molekulare Systeme wie Polyoxometallate sowie Phasenwechselmaterialien und deren Hybride. Methodische Weiterentwicklungen in der Rastersondenmikroskopie, der Elektronenmikroskopie, der plasmagestützten Schichtherstellung sowie zeitaufgelöste optisch-spektroskopische Verfahren ermöglichen ein vertieftes Verständnis der zugrunde liegenden atomistischen Prozesse. 

Ein besonderes Potenzial liegt in der gezielten Kombination ultrapräziser optischer Oberflächen mit Stimuli-responsiven chemischen Systemen. Hierfür werden Depositionsmethoden für große molekulare Ionen im Hochvakuum weiterentwickelt und neue Infrastrukturen zur in-situ-Oberflächenspektroskopie aufgebaut. Ergänzend wird bei plasmagestützten Schichten der Einfluss von Abscheideparametern auf Korngrenzenstrukturen untersucht und mit den elektronischen und optischen Eigenschaften korreliert – eine wesentliche Voraussetzung für funktionale elektronische Bauelemente. 

Ziel des Themenfeldes ist es, Oberflächen- und Plasmaprozesse in elektrischen Raumfahrtantrieben grundlegend zu verstehen und deren Leistungsfähigkeit gezielt zu verbessern. Es stehen Oberflächen und Ionenstrahlprozesse im Fokus, die für elektrische Antriebssysteme von zentraler Bedeutung sind. Dazu werden Umladungsphänomene, Erosionsprozesse und Plasmaeigenschaften in Gitterionentriebwerken grundlegend untersucht und gezielt optimiert. Hierfür wird erstmals der gitternahe und -zwischenliegende Bereich solcher Triebwerke für laserinduzierte Fluoreszenzspektroskopie und Zwei-Photonen-Absorptions-LIF zugänglich gemacht. Diese Methoden erlauben zeit- und ortsaufgelöste Einblicke in Plasma- und Strahlparameter unter realistischen Betriebsbedingungen. 

Ein weiterer Schwerpunkt ist die orbitale Erprobung des Ionenstrahlantriebssystems IonJet-Evo auf einem 16U-Cubesat. Die dabei gewonnenen Flugdaten werden mit umfangreichen Bodentests korreliert, um sogenannte Facility-Effekte zu identifizieren und den Einfluss terrestrischer Testumgebungen auf reale Betriebsdaten besser zu verstehen. Diese Arbeiten leisten einen wichtigen Beitrag zur Zuverlässigkeit und Effizienz zukünftiger Raumfahrtantriebe.

Im Themenbereich „Oberflächen für Key Enabling Technologies“ verfolgt das IOM das Ziel, ionenstrahl- und plasmabasierte Oberflächenprozesse ganzheitlich zu verstehen und durch Modellierung, Diagnostik und Digitalisierung in Richtung eines digitalen Zwillings weiterzuentwickeln. Perspektivisch sollen so Oberflächen mit topografischer Präzision bis in den Pikometerbereich auch auf großen, anwendungsrelevanten Flächen bearbeitet werden. 

In den Quantentechnologien bilden Fremdatome und Defektzentren in Festkörpern die Grundlage für neuartige Quantensysteme. Durch deterministische Einzelionenimplantation sollen skalierbare Quantenbauelemente realisiert und durch molekular-funktionalisierte Oberflächen hybride Quantentechnologien erschlossen werden. Durch synergistische Kombination von elektronenstrahlinduzierten Prozessen und gezielter Oberflächenfunktionalisierung sollen Quantensensoren basierend auf NV-Zentren in Nanodiamanten erforscht und neue disruptive Anwendungen erschlossen werden. In der Mikro- und Nanoelektronik zielen die Arbeiten darauf ab, molekulare Schaltereignisse in makroskopische Funktionalitäten zu übersetzen und so neue Konzepte schaltbarer Bauelemente zu entwickeln. 

Im Bereich der Raumfahrt ermöglichen weiterentwickelte laserbasierte Diagnostikverfahren künftig zeitaufgelöste Untersuchungen elektrischer Triebwerke unter Hochfrequenzanregung. Insgesamt stärkt der Themenbereich die internationale Sichtbarkeit des IOM als Kompetenzzentrum für ultrapräzise Oberflächenbearbeitung und Schlüsseltechnologien und schafft die wissenschaftlichen Grundlagen für zukünftige Hochtechnologieanwendungen.