Struktur und Dynamik ferroischer Grenzflächen

Ferroische Materialien zeigen eine Vielfalt von (elektrischen, mechanischen, magnetischen, etc.) Eigenschaften, und sind auf Grund ihres enormen Anwendungspotentials aus dem modernen Leben nicht mehr wegzudenken. In den letzten Jahren hat man herausgefunden, dass sich das Verhalten von Materialien verbessern bzw. steuern lässt, indem man sich ganz gezielt die Funktionalitäten von Grenzflächen, wie z.B. von Domänenwänden oder Phasengrenzflächen zunutze macht. Solche Grenzflächen sind typischerweise sehr kleine Objekte, d.h. sie haben räumliche Ausdehnungen von einigen Nanometern (1 Nanometer = 0.000001 mm). Trotzdem können diese kleinen Objekte große Änderungen im makroskopischen (d.h. auf der Skala von mm) Verhalten von Materialien hervorrufen, denn es gibt in realen Kristallen oft millionen solcher Grenzflächen. Im vorliegenden Projekt planen wir in einem engen Zusammenspiel von Experiment und Theorie, fundamentale Fragestellungen bezüglich der Struktur und Dynamik von Grenzflächen zu studieren und deren Einfluss auf das makroskopische Verhalten von Materialien zu untersuchen, um die Materialeigenschaften letztendlich optimieren zu können. Dabei werden wir uns immer besser lokal auflösender Methoden, wie hochauflösender Elektronenmikroskopie oder Kraftmikroskopie bedienen und diese durch makroskopische Experimente ergänzen. Die experimentellen Resultate an komplexen Oxidkristallen sollen mit theoretischen Ergebnissen verglichen werden, um so zu einem tieferen Verständnis zu gelangen. Der innovative Aspekt unseres Ansatzes liegt in der multi-Skalen Physik der Problematik: in der Idee, die makroskopischen (mm) Eigenschaften eines makroskopischen Kristalles ausgehend von der mikroskopischen (Angstrom = 0.0000001 mm) Struktur (d.h. der Elementarzelle) über den mesoskopischen Bereich (Domänenwände = einige Nanometer) zu untersuchen und letztendlich auch zu beeinflussen. Viele der erwarteten Ergebnisse werden Grundlagen für die Entwicklung von neuen funktionellen Materialien mit superioren Eigenschaften liefern.

"Ferroische" Kristalle sind Materialien mit sehr vielfachen funktionellen Eigenschaften. Die bekanntesten unter ihnen sind wahrscheinlich ferromagnetische oder piezoelektrische Kristalle, mit ihren Anwendungen in der Sensorik, der Speichertechnik, für Aktuatoren, etc. Lange Zeit hat man versucht, solche Kristalle in eindomäniger Form herzustellen, bzw. mit Hilfe von angelegten Feldern eindomänig zu schalten, wenn sie aus mehreren Bereichen verschiedener Orientierung (Domänen) bestanden. Erst vor kurzem kam es dann zu einem Paradigmenwechsel, da Wissenschafter*innen herausgefunden haben, dass die Grenzflächen zwischen verschieden orientierten Bereichen (sogenannten Domänen) interessante funktionelle Eigenschaften haben können. So können z.B. Domänenwände ferroelektrisch sein, d.h. eine elektrische Polarisation tragen, obwohl im Volumen des Kristalls keine Polarisation möglich ist. Auch andere funktionelle Eigenschaften, wie ferromagnetische Domänenwände in nichtmagnetischen Materialien, etc. sind möglich. Da solche Domänenwände üblicherweise nur einige nm dick sind, eröffnet sich dadurch ein enormes Potential an möglichen Anwendungen in der Nanotechnologie. Eine interessante Frage in diesem Zusammenhang ist z.B., ob man die Polarisation einer solchen Domänenwand durch Anlegen eines externen elektrischen Feldes umschalten kann, oder nicht. Es ist uns gelungen, im Rahmen des vorliegenden Projektes, eine neue theoretische Methode - basierend auf gruppentheoretischen Überlegungen - zu entwickeln, um die Eigenschaften von Domänenwänden zu bestimmen, bzw. um solche Fragen, wie eine mögliches Umschalten der Polarisation von Domänenwänden zu beantworten. Erste Anwendungen der Theorie an ausgewählten Materialien zeigen vielversprechende Ergebnisse. Einem weiteren Themenkreis - der eng mit dem ersteren verbunden ist - war der Untersuchung eines Zusammenhangs von Domänenwand-Dynamik und dem Einfrierverhalten von Gläsern, bzw. ferroischen Relaxor Phasenübergängen gewidmet. Auch hier haben wir bemerkenswerte Fortschritte erzielt, indem wir das zeitaufgelöste Verhalten der Domänenwandbewegungen einiger Materialien bei verschiedenen Temperaturen gemessen und mit Hilfe von theoretischen Modellen interpretiert haben. Das Projekt wurde in Zusammenarbeit mit Forschungsinstituten in der Tschechischen Republik, England, Polen, Luxemburg und Österreich durchgeführt. Die Ergebnisse des Projektes sind inzwischen in renommierten Fachjournalen publiziert und werden Grundlagen für die Entwicklung von neuen funktionellen Materialien bilden.