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A1: Nanoskalige multiferroische Heterostrukturen

Aufgrund der in der Berichtsperiode an den hergestellten nanoskopischen multiferroischen Heterostrukturen mit elastischer Kopplung zutage getretenen Problemen, sehr kleine multiferroische Signale zuverlässig zu messen und zu interpretieren, wird für die kommende Laufzeitperiode der neue Ansatz verfolgt, magnetoelektrische Transporteffekte an Tunnelstrukturen und an Strukturen mit einem zweidimensionalen Elektronengas (2DEG) zu untersuchen. Im Unterschied zu den bisher ins Auge gefassten, allein durch elastische Effekte bedingten magnetoelektrischen Kopplungen können an Tunnel- und 2DEG-Strukturen – wie vor allem theoretische Arbeiten gezeigt haben – auch andere Mechanismen der magnetoelektrischen Kopplung auftreten, wie z.B. ein rein elektronischer Mechanismus. Im Falle von magnetoelektrischen Transporteffekten wird der Ladungstransport durch eine oder längs einer Heterostruktur durch ein magnetisches und/oder elektrisches Feld bzw. durch einen ferroelektrischen oder ferro-/ferrimagnetischen Umschaltprozess beeinflusst. Die entscheidenden magnetoelektrischen Wechselwirkungen finden auf der Nanometerskala statt, aber die Größe des Effekts wird durch die Nanometerskala nicht mehr negativ beeinflusst.

Hinsichtlich des magnetoelektrischen Tunneleffekts konzentriert sich die zu untersuchende Fragestellung auf den Einfluss des Schaltzustandes des Ferroelektrikums bzw. Ferro-/Ferrimagnetikums auf den Tunnelstrom. Die Mechanismen der elektronischen Transportprozesse in multiferroischen Systemen und ihrer Wechselwirkung mit den ferroischen Parametern, d.h. Polarisation und Magnetisierung, sollen auf der Nanometerskala aufgeklärt werden. Eine wichtige Frage ist dabei die nach dem im Experiment auftretenden Transportmechanismus (Quantenmechanisches Tunneln, Fowler-Nordheim-Tunneln, thermionische Injektion) in Abhängigkeit von der Barrierendicke und anderen physikalischen Gegebenheiten. Eine andere wichtige Frage ist die nach den am besten geeigneten Materialkombinationen und den an diese angepassten optimalen elektrischen bzw. magnetischen Feldstärken. Das Auffinden der optimalen Wachstumsbedingungen für möglichst defektfreie, einkristalline ferroelektrische Barriereschichten mit der für den Tunneleffekt erforderlichen, über die Fläche des Devices annähernd konstanten Dicke im Bereich weniger Nanometer, sowie für das Wachstum der epitaktischen ferro-/ferrimagnetischen Elektroden wird eine eigenständige Aufgabenstellung sein, die für den Erfolg des Projekts entscheidend sein wird.

Als Beispiele für zu untersuchende Strukturen seien epitaktische Heterostrukturen vom Typ magnetisches Metall(oxid)/ferroelektrische Schicht/Metall/Substrat - wie z.B. Fe₃O₄/Pb(Zr,Ti)O₃/SrRuO₃/SrTiO₃-Substrat oder Permalloy/Pb(Zr,Ti)O₃/(La,Sr)MnO₃/SrTiO₃-Substrat oder (Metall)/CoFe₂O₄/Pb(Zr,Ti)O₃/(La,Sr)MnO₃/SrTiO₃-Substrat - genannt. Die experimentellen Untersuchungen werden auch mit lateraler Auflösung im Nanometerbereich ausgeführt. Dazu werden die elektrischen Messeinrichtungen für Transportmessungen in Abhängigkeit von elektrischem und magnetischem Feld in ein Rasterkraftmikroskop (AFM) integriert.

Hinsichtlich des Feldeffekts und der Bildung eines zweidimensionalen Elektronengases (2DEG) in multiferroischen Perowskit-Halbleiter-Heterostrukturen werden magnetoelektrische Transportprozesse längs einer Grenzfläche untersucht. Hierzu müssen zunächst klassische dielektrische, ferroelektrische bzw. multiferroische Perowskite, wie SrTiO₃, BaTiO₃ oder BiFeO₃, auf geeignete Weise mit halbleitenden Eigenschaften versehen werden, z.B. durch Dotierung oder Implantation. Auf diese Weise soll die Leitfähigkeit des Materials optimiert werden. Anschließend wird der Feldeffekt in Metall-Oxid-Halbleiter-Strukturen, in denen der klassische Halbleiter durch ein Perowskit mit halbleitenden Eigenschaften ersetzt worden ist, untersucht, etwa an Strukturen des Typs Metall/BiFeO₃/dotiertes BaTiO₃/SrTiO₃-Substrat. Die im 2DEG stattfindenden Transportprozesse sollen für die Gleichgewichtsladungsträger untersucht werden, aber auch für Nichtgleichgewichts-Ladungsträger, indem letztere mit kurzen Laserpulsen erzeugt werden, so dass zeitabhängige Aussagen über die Ladungsträgerdichte mit Nanosekundenauflösung ermöglicht werden.

Das Projekt soll zu einem wesentlich besseren Verständnis magnetoelektrischer Transporteffekte und zur Exploration praktischer Wege zu deren Nutzung beitragen.