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A5: Wachstum, Struktur und magnetische Eigenschaften ultradünner Übergangsmetalloxide auf Metallen

Im Mittelpunkt des Projekts steht die Analyse der geometrischen Struktur und der magnetischen Eigenschaften von funktionellen Oxidschichten und Grenzflächen. Heterostrukturen aus 3d-Übergangsmetalloxiden und Metallen haben wegen ihrer Anwendungen im Bereich der Informationstechnologie große Bedeutung gewonnen. Beispiele sind Tunnelmagnetwiderstands- (TMR) und Exchange-Bias (EB) Systeme.

Eine weitere Entwicklung in Richtung neuartiger Bausteine für Speicheranwendungen und im Bereich der Sensorik stellen die Multiferroika dar, in denen eine piezoelektrische/magnetostriktive Wechselwirkung zwischen dem Ferroelektrikum und dem Ferromagnetikum vorliegt. Ein Prototyp hierfür stellen (Multi-) Schichten aus CoFe₂O₄ auf BaTiO₃ dar. Neben diesem Mechanismus werden auch Kopplungen diskutiert, die durch die Beeinflussung der elektronischen Struktur an der Grenzfläche bestimmt sind. Ein Beispiel für diese Gruppe ist das System Fe/BaTiO₃(001).

Da die Eigenschaften funktioneller Oxidschichten bzw. von Oxid/Metall-Grenzflächen entscheidend von ihrer atomaren Struktur abhängen, ist für deren gezielte Präparation und das Verständnis ihrer Eigenschaften eine Strukturanalytik erforderlich, die komplexe Geometrien eindeutig und mit atomarer Auflösung sowie chemischer Selektivität aufzuklären vermag. Die Röntgenbeugung erfüllt hinsichtlich der gegebenen Kriterien alle Voraussetzungen. Im gesamten Kontext des SFB steht daher das Teilprojekt in engem Zusammenhang mit theoretischen Teilprojekten (A4, B2, B7), die für die Analyse des elektronischen Transports sowie der elektronischen und magnetischen Schichteigenschaften auf detaillierte Strukturinformationen angewiesen sind. Weitere Beziehungen bestehen zu experimentellen Teilprojekten, die komplementäre Informationen liefern (Elektronenmikroskopie, Elektronenbeugung, Röntgenabsorptions-Spektroskopie, Tunnelmikroskopie und Analyse der Filmspannungen in A1, A3, A7, B8).
Hinsichtlich der Materialsysteme soll im Falle der Übergangsmetalloxid/Metall-Grenzflächen der Schwerpunkt auf NiO und CoO liegen, die auf Metallsubstraten wie Ag(001) und Fe(001) deponiert werden sollen. Im Bereich der dotierten Oxide (ZnO, ZrO₂), die im Vorhaben einen herausragenden Anteil einnehmen sollen, ist es geplant, Wachstum, Struktur und magnetische Eigenschaften dieser Schichten auf unterschiedlichen Substraten (nichtmagnetisch, magnetisch) zu untersuchen. Von Bedeutung ist in diesem Zusammenhang die Analyse von Multilagen bestehend aus verschieden dotierten Oxiden [z.B. ZnO(Co)/ZnO/Zn(Co)O]. Diese könnten neue Architekturen für TMR- Systeme ermöglichen. Im Bereich der multiferroischen Systeme soll der Schwerpunkt auf den Systemen CoFe₂O₄/ BaTiO₃ und Fe/BaTiO₃ liegen.

Zur Präparation der Oxidschichten soll neben der reaktiven thermischen Deposition die Gepulste Laser-Deposition (PLD) verwendet werden. Für den Fall, dass der Sonderforschungsbereich eingerichtet werden sollte, ist es wegen der Bedeutung der PLD-Methode für das gesamte Vorhaben geplant, frühzeitig einen geeigneten Excimer-Laser (KrF, l=248 nm) aus Mitteln des Max-Planck-Instituts zu beschaffen.