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A7: Elektronische, geometrische und magnetische Eigenschaften multiferroischer Heterostrukturen

Das zentrale Thema dieses Teilprojekts ist die Erzielung eines vertieften mikroskopischen Verständnisses der magnetoelektrischen Kopplung über die Grenzfläche von zweikomponentigen Multiferroika. Dies soll durch die Bestimmung der elektronischen, geometrischen und magnetischen Strukturen erreicht werden. Anknüpfend an die bisherigen magnetischen Untersuchungen an sehr dünnen Metallfilmen (Fe und Co) und Oxiden (CoFe₂O₄, NiFe₂O₄, (Mn,Zn)Fe₂O₄) auf Bariumtitanat-Einkristallen, sollen nun Schichtsysteme im Fokus stehen, bei denen auch die ferroelektrische Komponente als dünner Bariumtitanat-Film vorliegt. PLD (pulsed laser deposition) hat sich bei der Herstellung von wohldefinierten magnetischen und ferroelektrischen Oxidschichten bewährt. In solchen strukturierten Schichtsystemen wird für eine Änderung der Polarisation der dünnen ferroelektrischen Filme nur eine niedrige Spannung benötigt, wodurch eine in-situ Kontrolle des ferroelektrischen Zustands und damit ein direkter Weg zur Beeinflussung der magnetischen Eigenschaften entsprechender Schichtsysteme möglich wird.

Eine Manifestation der Wechselwirkung an der Grenzfläche zwischen ferroelektrischen und magnetischen Schichten ist die jeweilige Anisotropie der magnetischen Momente. Aufbauend auf den bisherigen Erkenntnissen soll nun untersucht werden, ob Änderungen der Anisotropie aufgrund gezielt variierter ferroelektrischer Polarisation der ferroelektrischen Komponente eintreten. Pt(111) als Substrat für BaTiO₃-Filme eröffnet auch den interessanten Einsatz der quasikristallinen Bariumtitanat-Modifikation als Substrat für magnetische Filme, wobei unsere bisherigen Ergebnisse von kristallinem BaTiO₃ als ideale Referenz für eine systematische Bestimmung physikalischer Eigenschaften dienen. In diesem Zusammenhang haben die im Projekt eingesetzten Methoden der Röntgenabsorption und der Photoelektronenbeugung den entscheidenden Vorteil, dass sie keine langreichweitige Ordnung benötigen und elementspezifische Informationen liefern. Schichtwachstum und Domänenbildung hängen stark von der Oberflächenmorphologie ab, insbesondere vom Vorhandensein von Inseln. Deshalb ist eine Ausweitung der Methoden auch auf räumliche Auflösung nötig, was insbesondere durch Photoelektronenemissionsmikroskopie (XPEEM) geleistet werden kann.

Die element- und spinspezifischen experimentellen Methoden werden sowohl bei der Vorbereitung als auch in der Analysephase der Messergebnisse durch theoretische Rechnungen im Rahmen einer vollrelativistischen Dichtefunktionaltheorie (DFT) unterstützt. Die geometrische Struktur wird mittels Photoelektronenbeugung und Vielfachstreurechnungen in Kombination mit ab-initio Methoden untersucht. Die enge Verzahnung von Theorie und Experiment hat sich schon bei den bisher untersuchten Systemen als erfolgreich herausgestellt. Der neue Schwerpunkt der theoretischen Berechnungen wird die Bestimmung der magneto-kristallinen Anisotropie in ultradünnen Filmen mit besonderer Beachtung der Wechselwirkung an der Grenzfläche sein. Angeregte Zustände in der Theorie der Elektronen- und Röntgenabsorptionsspektroskopie werden in verschiedenen Näherungen betrachtet (z. B. Bethe-Salpeter-Gleichung und zeitabhängige DFT).