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A1: Nanoskalige multiferroische Heterostrukturen

Herstellungs-Mikrostruktur-Eigenschaftsbeziehungen nanoskaliger multiferroischer Heterostrukturen werden untersucht, und zwar im ersten Schritt ferri- bzw. ferromagnetisch/ferroelektrische (FM/FE) Supergitter mit den Variablen Gitterfehlpassung, Kristallorientierung und Lagendicke, im zweiten Schritt Arrays aus epitaktischen Nanopunkten in der jeweils komplementären Matrix (Nano-FE in FM-Matrix und Nano-FM in FE-Matrix), mit den Variablen Gitterfehlpassung, Kristallorientierung, laterale Abmessung und lateraler Abstand der Nanopunkte, und im dritten Schritt Nanodrähte und Nanoröhren aus FE/FM-Lagenkombinationen.

Die Kombination ferroelektrischer und (ferro-/ferri-/antiferro-)magnetischer Eigenschaften im selben Material (intrinsisches Ferroelektromagnetikum) oder in einer engen Verknüpfung zweier Materialien (extrinsisches Ferroelektromagnetikum) wird gegenwärtig als besonders aussichtsreich betrachtet, um z.B. neuartige Speicherbausteine oder Aktoren und Sensoren mit erweitertem Eigenschaftsspektrum herstellen zu können. Auch werden von diesen Materialien grundlegende Erkenntnisse zur Wechselwirkung unterschiedlicher ferroischer Eigenschaften erwartet. Zu beiden Arten von Multiferroika stehen im Moment weltweit Grundlagenuntersuchungen im Vordergrund. Im Falle eines extrinsischen Ferroelektromagnetikums verspricht die Verknüpfung des ferroelektrischen (FE) und magnetischen (FM) Materials auf der Nanometerskala eine besonders enge Wechselwirkung der magnetischen und ferroelektrischen Eigenschaften. Als Mechanismus dieser Wechselwirkung wird zur Zeit primär die elastische Wechselwirkung über die piezoelektrischen und magnetostriktiven Eigenschaften der beiden Komponenten ins Kalkül gezogen; jedoch sollten grundsätzlich auch andere Wechselwirkungsmechanismen möglich sein, z.B. über die gegenseitige Beeinflussung der elektronischen Struktur beider Komponenten über deren gemeinsame Grenzfläche hinweg. Über bekannte Ansätze deutlich hinausgehend, soll in einem Zeitraum von 12 Jahren ein dreistufiges Programm zur Herstellung und zur Struktur- und Eigenschaftsanalyse von nanoskaligen ferroelektromagnetischen Heterostrukturen verfolgt werden. Im ersten Schritt werden FM/FE Supergitter mit den Variablen Gitterfehlpassung, Kristallorientierung und Lagendicke hergestellt und untersucht, im zweiten Schritt wohlgeordnete Muster („Arrays“) aus Nanopunkten in der jeweils komplementären Matrix (Nano-FE in FM und Nano-FM in FE) mit den Variablen Gitterfehlpassung, Kristallorientierung, laterale Abmessung und lateraler Abstand der Nanopunkte, und im dritten Schritt Arrays aus Nanodrähten und Nanoröhren, die in radialer Richtung aus FE/FM-Lagenkombinationen bestehen. Die hierzu notwendigen Herstellungsverfahren sind in den letzten Jahren in der Arbeitsgruppe in Bezug auf nanoskalige ferroelektrische Heterostrukturen erarbeitet worden, darunter die gepulste Laserdeposition, teilweise unter Verwendung unterschiedlich hergestellter Nano-Lochmasken, und die chemische Lösungsabscheidung in geordnetem makroporösen Silicium bzw. Aluminiumoxid. Als FE-Materialien werden BaTiO₃ und Pb(Zr,Ti)O₃, als FM-Materialien unterschiedliche ferrimagnetische Spinelle (Spinellferrite) vom Typ CoFe₂O₄ eingesetzt. Als elektrische Isolatoren erlauben letztere die Aufrechterhaltung des für das Schalten des Ferroelektrikums notwendigen äußeren elektrischen Feldes auch im Falle ihrer Ausdehnung senkrecht zu den Elektrodenflächen. Vom Projekt werden Erkenntnisse zur Natur und Stärke der FM-FE-Wechselwirkung und zu Herstellungs-Mikrostruktur-Eigenschaftsbeziehungen nanoskaliger multiferroischer Heterostrukturen erwartet.