Forschungsprogramm
Im Mittelpunkt des Sonderforschungsbereichs (SFB) 762 steht die Herstellung und Charakterisierung von oxidischen Heterostrukturen mit Komponenten, die ferroelektrische, magnetische, halbleitende und isolierende Eigenschaften aufweisen und damit zusätzliche Freiheitsgrade für das Design von Funktionselementen bieten. Die untersuchten Materialien und Strukturen sind multifunktional, das heißt, neben magnetischen und ferroelektrischen Eigenschaften sind für die Funktionalität auch zusätzlich noch elektrische und/oder optische Eigenschaften von Bedeutung. An zentraler Stelle für die Funktionalität steht die Kopplung über die oxidischen Grenzflächen, deren atomare Struktur sowie deren Ladungs- und Spinordnung durch äußere elektrische und magnetische Felder beeinflusst werden kann und somit die jeweiligen funktionalen Effekte bewirkt. Die Kopplungen können verschiedener Natur sein wie beispielsweise elektro-optisch, elektrisch, piezoelektrisch, magnetoelastisch oder magnetoelektrisch.
Multiferroische Heterostrukturen nehmen gegenwärtig unter diesen Systemen einen herausragenden Platz ein. Multiferroische Materialien an sich zeigen gleichzeitig ferroelektrische und magnetische Ordnung. Ferroelektrische Eigenschaften sind üblicherweise an relative strukturelle Verschiebungen der positiven und negativen Ionen gegeneinander gekoppelt. Diese sind besonders groß, wenn die d-Niveaus der Systeme unbesetzt sind (d0-Besetzung). Ferromagnetismus bildet sich dagegen vorzugsweise in Systemen mit partiell besetzten d-Schalen aus. Ausgehend von dieser Betrachtung sollten sich also Ferroelektrizität und Ferromagnetismus eigentlich ausschließen. Es gelang jedoch, durch neue Syntheseverfahren einphasige Multiferroika herzustellen. Die beobachtete elektrische Polarisation und Magnetisierung und insbesondere deren Kopplungseffekte waren oft sehr klein. Ein wirklicher Durchbruch wurde in dieser Hinsicht mit multiferroischen dünnen Filmen, multiferroischen Heterostrukturen und nanostrukturierten Multiferroika erzielt. Modernste Schichtabscheidungsverfahren gestatten die Synthese von Schichtstrukturen und Phasen, die mit herkömmlichen Synthesekonzepten nicht hergestellt werden können. Ferner wird durch die Reduzierung der Dimensionalität die Verstärkung der ferroelektrischen Polarisation, der Magnetisierung und der Kopplung über die Grenzfläche erwartet. Die magnetoelektrische Kopplung über die oxidische Grenzfläche ist in diesem Zusammenhang besonders vielversprechend, da sie die Kontrolle der Spins durch elektrische Felder und die Kontrolle der elektrischen Ladungen durch magnetische Felder ermöglicht. Dies eröffnet die Möglichkeit, magnetische Information durch ein externes elektrisches Feld zu ändern und umgekehrt.
Die Entwicklung ferroelektrischer und magnetischer Oxide mit entsprechenden Eigenschaften ist eines der Anliegen des SFB 762. Neben herkömmlichen magnetischen Materialien liegt das Augenmerk auch auf magnetischen Oxiden ohne d-Elektronen. Wir sind an der Fragestellung interessiert, ob defektinduzierter Magnetismus stabil und reproduzierbar ist und einen alternativen Mechanismus des Magnetismus darstellt, der in besonderer Art und Weise mit ferroelektrischen Oxiden kompatibel ist.
Der Erfolg des SFB basiert auf der Kombination der Expertise in der Forschung zu Oberflächen, Magnetismus, Halbleiterphysik, Festkörperchemie, Materialwissenschaft und theoretischer Physik in Halle und Leipzig. Eine große Vielfalt innovativer Wachstums- und Charakterisierungstechniken steht zur Verfügung. Die theoretische Beschreibung erfolgt materialspezifisch im Rahmen der Dichtefunktionaltheorie. Neben Grundzustandseigenschaften untersuchen wir Effekte bei endlichen Temperaturen, Transport und zeitabhängige Effekte im Nichtgleichgewichtszustand.
Perspektivisch werden die Aktivitäten des SFB 762 neue Einsichten in die mikroskopischen Eigenschaften oxidischer Grenzflächen ermöglichen und zur Entwicklung und Herstellung oxidischer Heterostrukturen und Prototypen von Funktionselementen mit potentiellen Anwendungen in der Mess- und Informationstechnologie führen.