Studie der atomaren und elektronischen Struktur von Oxid-Heterogrenzflächen

Dieses experimentelle Projekt zielt darauf ab, die atomaren und elektronischen Strukturen an Oxid- Heterogrenzflächen und deren Auswirkungen auf die Eigenschaften zu studieren, zu verstehen und zu kontrollieren. Neuartige Phänomene und Funktionsweisen künstlicher Oxid-Heterogrenzflächen haben sowohl in der Materialwissenschaft als auch in der Festkörperphysik viel Aufmerksamkeit erregt. Das Wechselspiel zwischen den Freiheitsgraden an Grenzflächen von komplexen Oxiden kann zu außergewöhnlichen und unerwarteten Materialzuständen führen. Bedenkt man, dass die Erforschung von kritischen Grenzflächen auf der nano-Ebene letztlich die Anwendungen in Bauteilen bestimmt, so erklärt sich das Ziel dieses Projektantrags: die Untersuchung derartiger Grenzflächenstrukturen. Obwohl in jüngster Zeit Fortschritte erzielt wurden, sind Oxid-Heterostrukturen immer mit Defekten behaftet. Da die Bedeutung von Defekten für viele Eigenschaften von Oxid-Heterostrukturen immer mehr Anerkennung findet, wird in diesem Antrag ein spezieller Fokus auf die Charakterisierung von chemisch nicht-stöchiometrischen Verbindungen und Defekten, die an den Heterostrukturgrenzflächen auftreten, z.B. Durchmischung und Oxidleerstellen an Grenzflächen, und deren Auswirkungen auf die atomare elektronische Struktur der Grenzflächen, sowie elektrische und magnetische Eigenschaften, gelegt. Bisher sind chemische Durchmischung und Sauerstoffleerstellen nicht vollständig verstanden, und die atomaren Mechanismen dieser Effekte auf die Eigenschaften bleiben unerklärt. Das Verstehen dieser Effekte ist notwendig für die Erklärung der Eigenschaften von Oxid-Heterostrukturen, und ist auch wichtig für die Erklärung der fundamentalen physikalischen Mechanismen, die solche komplexe Systeme betreffen. Zu verstehen wie man diese kontrollieren kann, ist der Schlüssel zu einer Weiterentwicklung der Oxid-Heterostrukturen von einem wissenschaftlichem Kuriosum zu realen Technologien. Um diese Effekte im Detail zu erforschen wird eine spezielle Oxid-Heterogrenzfläche ausgewählt: die ferroelektrisch-ferromagnetische Perovskit-Oxid-Grenzfläche, z.B. LSMO/PZT. Der Ansatz ist, bewusst eine chemische Durchmischung und Sauerstoffleerstellen an der Grenzfläche einzubringen, magnetische und elektrische Eigenschaften zu untersuchen, und außerdem die atomare und elektronische Struktur von Oxid- Heterogrenzflächen zu charakterisieren. Um diese Zielstellungen zu erreichen, umfassen die verwendeten Untersuchungsmethoden moderne TEM Techniken, z.B. hochauflösende CS-korrigierte Bildgebung, quantitative Messungen auf atomarer Ebene, hochentwickelte Querschnitts-Rastertunnelmikroskopie. Dieses Projekt profitiert von der einzigartigen Kombination von Untersuchungstechniken, und wird in einem Gesamtbild von den Beziehungen zwischen Mikrostruktur und Eigenschaften in Oxid-Heterostrukturen resultieren, einschließlich: (i) Einblick in die Grenzflächenphänomene in Oxid-Heterostrukturen; (ii) Einblicke in die Effekte durch chemische Durchmischung und Sauerstoffleerstellenkonzentration, und (iii) Einblicke in die Funktionalitäten von hetero-epitaktischen Oxidstrukturen und fundamentalen physikalischen Mechanismen in Oxidsystemen. Die Schlussfolgerungen, die man ziehen kann, sind von genereller Bedeutung für andere Oxid-Heterostruktur Grenzflächen, und stellen technologische Leitfäden für das Design moderner Bauteile aus Oxid- Heterostrukturen, die ihre Anwendung in neuartigen Speichermedien und Spintronik finden, zur Verfügung.

Künstliche Heterostruktur-Grenzflächen von Perowskitoxiden ziehen wissenschaftliches Interesse von Grundlagenphysik und möglicher Anwendungen auf sich. Fortschrittliche analytische Transmissionselektronenmikroskopie ist eine der wenigen experimentellen Techniken, die es erlauben fundamentale Prozesse und Effekte auf atomarer Ebene zu verstehen. Die strukturelle Diskontinuität an den Heterostruktur-Grenzflächen führt in der Regel zu neuartigen physikalischen Phänomenen. In diesem Projekt starten wir mit zwei Heterostukturen. Wir fanden heraus, dass Supraleiter - Ferromagnet - Supraleiter Strukturen aus Hybridoxid das Phänomen des Suprastroms aufweisen, was durch einen starken Kopplungseffekt an den Grenzflächen hervorgerufen wird, der auftritt, wenn die ferromagnetische Zwischenschicht auf wenige Einheitszellen (d.h. 1-2 nm) reduziert wird. Darüber hinaus haben wir herausgefunden, dass die Versatzverformungen an den Grenzflächen von Oxidheterostrukturen die Bildung von Sauerstofffehlstellen und den Sauerstofftransport erheblich beeinflussen können. Beide Phänomene sind für Anwendungen von signifikanter Bedeutung. Dieses Projekt untersuchte auch interfaceinduzierte Heterostukturphänomene in den Ca-dotierten Bismutferritfilmen. (i) Segregationsprozesse von Dotierstoffen an nicht-oberflächlichen Grenzflächen in Perovskitoxid-Heterostrukturen sind kaum untersucht. Wir berichteten erstmals über eine signifikante Segregation von Ca-Dotierelementen in Bismutferrit in Richtung einer kompressiv gespannten Grenzfläche. DFT-Berechnungen bestätigen die experimentellen Ergebnisse. Die vermuteten Mechanismen sind Spannungsentlastung und chemische Wechselwirkungen der Ca-reichen Schicht mit der Heterostruktur. Das Verständnis solcher Entmischungseffekte ist von entscheidender Bedeutung, da sie zum Versagen eines Bauelements führen können. (ii) In höher Ca-dotierten Bismutferrit-Dünnschichten wurde die Beziehung zwischen Streifen mit dunklem Kontrast in HAADF-Bildern und regelmäßigen Abständen zueinander bereits hergestellt. Wir zeigten zunächst für Filme mit niedrigerer Dotierungsrate, dass dunkle Streifen mit unregelmäßigen Abständen durch agglomerierte Sauerstoffleerstellen verursacht werden, dass sie aber auch zusätzlich negativ geladene Domänwände sind. Diese Verknüpfung konnte bei regelmäßigen Anordnungen nicht beobachtet werden und ist hochinteressant, da geladene Defekte im Bereich der Domänenwände ein Faktor für die Leitfähigkeit im Feld der Domänwand-Nanoelektronik sind. (iii) Die sekundäre Phase (Bismutoxid) kann verwendet werden, um die supertetragonale Bismutferritphase hervorzurufen, ohne der Beschränkung auf einige wenige Substrate, welche eine starke kompressive Belastung induzieren. Der Phasenraum in dieser Kombination ist relativ unerforscht. In Rahmen dieses Projektes wurde eine signifikant unterschiedliche Ca-Löslichkeit in der primären und sekundären Phase festgestellt. Dies ist wichtiges Wissen für die präzise Steuerung des Dotierungsgrades in Gegenwart beider Phasen und muss bei der Entwicklung von funktionellen Bauelementen berücksichtigt werden. Darüber hinaus stellt es einen wertvollen experimentellen Datenpunkt für die Einschätzung des ternären Systems in der thermodynamischen Datenbank dar. Einige der im Rahmen dieses Projekts erzielten Ergebnisse wurden in fünf hochrangigen peer-reviewten Fachzeitschriften veröffentlicht (ACS Nano, ACS Applied Materials & Interfaces, Communications Materials, ACS Applied Electronic Materials, usw.). Die Ergebnisse wurden auf zahlreichen nationalen und internationalen Konferenzen vorgestellt.