Forschung

Atomar hergestellte Heterostrukturen stellen hervorragende Modellsysteme zur Untersuchung grundlegender Struktur-Eigenschaftsbeziehungen in Übergangsmetalloxiden und ihrer Entwicklung dar, wenn die Dicke der konstituierenden Schichten auf nur wenige Elementarzellen reduziert wird.

Doppel-Perowskite

Doppelperowskitoxide mit der chemischen Formel A₂BB’O₆ besitzen die prototypische ABO₃-Perowskitstruktur, die zusätzlich durch zwei weitreichend geordnete Kationen (B, B’) gekennzeichnet ist, die einen zusätzlichen Freiheitsgrad zur Abstimmung der gewünschten Funktionalität bieten.

Die Familie R₂NiMnO₆ (R=Seltenerdion) mit Steinsalzordnung der Ni- und Mn-Untergitter ist aufgrund der seltenen Eigenschaftskombination, gleichzeitig isolierend und ferromagnetisch zu sein, besonders interessant. Die Curie-Temperatur (Tc) liegt für La₂NiMnO₆ nahe der Raumtemperatur (280 K) und nimmt linear mit der Größe des Seltenerdmetalls ab.

Dünne Filme

Langreichweitige Ni-Mn-geordnete Filme aus R₂NiMnO₆ (R= La, Nd, Sm) werden erfolgreich durch außeraxiales HF-Magnetronsputtern gezüchtet. Die Filme zeigen masseähnliche magnetische Eigenschaften, wobei Tc für Filme mit 30 Elementarzellen oder mehr (t>10 nm) unabhängig von der epitaktischen Spannung ist [DeLuca, APL Materials, DOI: 10.1063/5.0055614; Jonathan PRM im Druck, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster]

Die Filme aus ferromagnetischem isolierendem La₂NiMnO₆ (LNMO) sind noch bis zu 2 u.c. magnetisch. Allerdings sind die magnetischen Eigenschaften von 2-5 u.c. LNMO-Filme werden aufgrund einer elektronischen Rekonstruktion an den Grenzflächen über Dimensionalitätseffekte hinaus beeinflusst. Mithilfe einer oberen LaNiO3-Elektronenakzeptorschicht wird der Elektronenüberschuss neu verteilt und der Magnetismus der ultradünnen LNMO-Filme wiederhergestellt.

Interessanterweise zeigt das in das ferromagnetische Ni/Mn-Gitter eingebettete Nd-Untergitter in dünnen Nd₂NiMnO₆-Filmen ein paramagnetisches Verhalten bei niedrigen Temperaturen, wie XMCD-Messungen zeigen [Jonathan Spring, im Druck].

Übergitter mit Doppelperowskiten als Bausteine

Die Implementierung multiferroischer Geräte wird insbesondere durch die Knappheit einphasiger Verbindungen erschwert, die bei Raumtemperatur eine beträchtliche elektrische Polarisation und Ferromagnetismus aufweisen. „Materials by Design“ erweisen sich als wirksame Strategie zur Lösung dieses Problems. Interessanterweise wurde durch Ab-initio-Rechnungen vorhergesagt, dass künstliche Materialien, die aus abwechselnden Schichten der Doppelperowskite La₂NiMnO₆ und R₂NiMnO₆ (R=Seltenerdionen) bestehen, nahe Raumtemperatur ein multiferroisches Verhalten zeigen.

Wir züchten derzeit La₂NiMnO₆/R₂NiMnO₆-Übergitter durch RHEED-ausgestattetes Off-Axis-Magnetron-Sputtern und untersuchen ihre magnetischen und potenziellen ferroelektrischen Eigenschaften.

Perowskitchromate

Im Vergleich zu den meisten 3D-Übergangsmetalloxiden ist die Perowskit-Cr-Familie bisher wenig erforscht. Der Grund könnten die hohen Drücke und Temperaturen sein, die typischerweise erforderlich sind, um den Oxidationszustand von Cr(IV) in einer oktaedrischen Konfiguration zu stabilisieren. Daher werden die Eigenschaften dieser Verbindungen immer noch diskutiert. Wir nutzen Epitaxie, um die Stabilisierung der Perowskitphase zu erleichtern. Transport- und Magnetmessungen werden verwendet, um den Grundzustand von SrCrO₃, aber auch seine Dehnungs- und Dickenabhängigkeit zu bestimmen.