Forschungsprojekte

Maßgeschneiderte Domänenstrukturen in LiNb_(1-x)Ta_xO₃-Mischkristallen (DFG - FOR 5044)

Teilprojekt TP05 der DFG-Forschungsgruppe FOR 5044 - Periodische niedrigdimensionale Defektstrukturen in polaren Oxiden
Projektleitung: Dr. Michael Rüsing
Arbeitsgruppen: FERROIX und iSPEX
Förderung: DFG
Laufzeit: 10/2020-09/2024
Dieses Projekt widmet sich der Herstellung von maßgeschneiderten ferroelektrischen Domänenstrukturen im Modellsystem mittels elektrischer Feldpolung. Strukturierte ferroelektrische Domänen bilden die funktionelle Grundlage für viele Anwendungen in ferroelektrischen Materialien, die von der Nichtlinearen und Quantenoptik, der Oberflächendekoration, über Piezotronik bis in die Elektronik reichen. Die zuverlässige und reproduzierbare Fabrikation von homogenen Domänenstrukturen setzt dabei ein umfassendes Verständnis der zugrundeliegenden physikalischen Mechanismen des Polungsprozesses über den kompletten Kompositionsbereich des Mischkristallsystems voraus. Für die Domänenstrukturierung im Modellsystem ergeben sich einerseits neue Herausforderungen aufgrund von Defekten und lokalen Variationen der Nb/Ta-Stöchiometrie, andererseits verspricht die Polung im Modellsystem möglicherweise neue Möglichkeiten der Kontrolle über die Domänenstruktur.Die Strukturierung der ferroelektrischen Domänen wird mittels elektrischer Feldpolung bei Raumtemperatur erreicht. In Verbindung mit standardlithographischen Methoden zur Oberflächenstrukturierung erlaubt dieses Verfahren die flexible zweidimensionale Strukturierung von maßgeschneiderten Domänenstrukturen für unterschiedliche Einsatzzwecke. Dabei soll sowohl die Domänenbildung auf polaren, als auch nicht-polaren Flächen untersucht werden, um ein geschlossenes Bild zu erreichen. Um die physikalischen Mechanismen der Polung zu analysieren, werden verschiedene komplementäre Analysemethoden genutzt, wie nichtlineareMikroskopie, Piezoantwort-Mikroskopie, optische Polarisationsmikroskopie und µ-Raman-Spektroskopie. Diese Methoden erlauben sowohl die Bestimmung polungsrelevanter Materialparameter des Modellsystems, wie Koerzitivfeldstärken oder Domänenwandgeschwindigkeiten, als auch die Analyse des Einflusses von Defekten oder derlokalen Stöchiometrie auf die Bildung von Domänenstrukturen und -Wände. Die hergestelltenDomänenstrukturen, deren Grenzflächen als zweidimensionale Defekte verstanden werdenkönnen, bilden Modellsysteme für die Untersuchung des Einfluss der ferroelektrischen Domänenauf weitere Materialeigenschaften, wie den Elektronen- und Ionentransport, dieelektromechanischen Eigenschaften, die thermische Stabilität oder polaronische Strukturen,welche Gegenstand der Forschungsgruppe sind.

Domänenwände in LNT-Mischkristallen (DFG - FOR 5044)

Teilprojekt TP06 der DFG-Forschungsgruppe FOR 5044 - Periodische niedrigdimensionale Defektstrukturen in polaren Oxiden
Projektleitung: Prof. Dr. Lukas M. Eng
Arbeitsgruppen: FERROIX
Förderung: DFG
Laufzeit: 10/2020-09/2024
Das vorliegende Teilprojekt konzentriert sich auf die Eigenschaften von Domänenwänden in den LNT-Mischkristallen, welche in jedem ferroischen System zur Minimierung der Gesamtenergie auftreten. Größe, Dimensionalität, chemische Zusammensetzung, etc. von Domänen und Domänenwänden spielen hier eine entscheidende Rolle und müssen akkurat bestimmt werden. Insbesondere erwarten wir, neuartige Eigenschaften der Domänenwände zu finden, wie z.B. steuerbare elektronische Leitfähigkeiten, variable optische Brechungsindices, oder auch ungeahnte ferroelektrische Topologien. Dielektrische und elektronische Eigenschaften sollen makroskopisch mittels Hysterese Analysen zur Bestimmung der integralen Koerzitivfelder, der Spontanpolarisation und dem Leckstromverhalten für ausgewählte Stöchiometrien bestimmt werden. Zentrales Augenmerk dieser elektronischen Arbeiten sind aber die Transporteigenschaften entlang einzelner Domänenwände im Vergleich zum Bulk; hier kommen sowohl Hall-Transportmessungen als auch Wechselstromleitfähigkeitsmessungen zum Einsatz, die einerseits Aufschluss über Ladungsträgertyp, Ladungsträgerkonzentration und deren Mobilitäten erlauben, andererseits aber direkt einen neuartigen Zugang zur Quantifizierung und Identifikation von lokalen Defekten liefern. Parallel zu den elektrischen/elektronischen Untersuchungen nutzen wir in diesem Teilprojekt dezidierte, optische Methoden wie die µ-Raman-Spektroskopie, die Second-Harmonic-Mikroskopie/Polarimetrie und die Fluoreszenzmikroskopie für die nichtinvasive, komplementäre Analyse von Domänen und Domänenwänden. Wir erwarten hier neue Einblicke in die chemischen, strukturellen und dielektrischen Eigenschaften der LNT Mischkristalle zu gewinnen, speziell auch direkt an den Domänenwänden, wo sich aufgrund möglicher topologischer Eigenschaften die lokalen elektrischen Felder und damit die lokalen tensoriellen Abhängigkeiten in diesen polaren Mischkristallen massiv ändern können. Auch sollen die LNT-Mischkristalle gezielt dotiert werden, was sich direkt in deren elektronischer und optischer Signaturen zeigen wird.

Fingerabdruckerfassung von 2D-Hybridmaterialien im lokalen Maßstab (DFG - SFB 1415)

Teilprojekt B06 zu SFB 1415 - Chemie der synthetischen zweidimensio­nalen Materialien
Projektleitung: Prof. Lukas M. Eng
Arbeitsgruppe:  iSPEX
Förderung: DFG
Laufzeit: 07/2020-06/2024
Dieses Projekt konzentriert sich auf die in-situ Schwingungs- und elektronische Charakterisierung von synthetischen 2D-Materialien (2DM) bis hinunter zur 1-nm-Längenskala. Bei der Anwendung spezieller Rastersondenmethoden (Kelvin probe force microscopy = KPFM, coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS)), im nm-Bereich lassen sich die lokale elektrische Feldumgebung und lokale Bindungsstärke quantifizieren, die es dann ermöglichen, Defekte und Dotierungen von intakten 2D-Nanomaterialien durch ihre physikalisch-chemischen Fingerabdrücke zu unterscheiden. Solche Methoden ermöglichen es, die Oberflächenreaktivität und die chemische Funktionalität an verschiedenen Kanten und Standorten sowohl durch Mikroskopie als auch durch lokale Spektroskopie zu bestimmen. Darüber hinaus wird eine zeitaufgelöste Variante der KPFM entwickelt werden, die einen völlig neuen Ansatz zur Untersuchung des elektronischen Transports in synthetischen 2DM darstellt.

TiNaII - Zeitaufgelöste Nanoskopie im tiefen THz-Regime - Teil II: Entwicklung ultraschneller Pump-Probe-Nahfeldmethoden für THz-getriebene Prozesse (BMBF)

Projektleitung: Prof. Lukas M. Eng
Arbeitsgruppe:  SNOM
Förderung: BMBF
Laufzeit: 07/2019-06/2022
Ziel dieses Projektes ist der Aufbau und die Implementierung optischer Nahfeldmikroskie für den THz Frequenzbereich (kurz T-SNOM) zwischen 10 THz und 100 GHz. Dieses T-SNOM wird es ermöglichen, transiente dynamische Prozesse mit einer Zeitauflösung im sub-30-Femtosekundenbereich und mit einer Ortsauflösung von wenigen 10 Nanometern untergrundfrei zu erfassen.

NanOMapII - Nanoskopische Optische Materialanalyse an FELBE - Phase II: Implementierung eines neuen, nutzerfreundlichen Nahfeldmikroskops (BMBF)

Projektleitung: Dr. Susanne C. Kehr
Arbeitsgruppe: SNOM
Förderung: BMBF
Laufzeit: 07/2019-06/2022
Nahfeldmikroskopie (SNOM) ermöglicht die spektroskopische und oberflächenabbildende Untersuchung von Festkörpern mit einer Wellenlängen-unabhängigen Auflösung von 30 nm. Speziell im IR- bis THz-Bereich wird es dabei möglich, nanoskopische Strukturen auf einer Skala weit unterhalb der Wellenlänge zu untersuchen, welche uns aufgrund der Wellennatur des Lichts sonst verborgen bleiben. Die hierbei eingesetzten weltweit einmaligen Nahfeldmikroskope am Freie-Elektronen-Laser FELBE ermöglichen die optischen Untersuchungen mit einer lateralen Auflösung von 30 nm im Wellenlängenbereich von 4 bis 250 μm und bei Temperaturen von 4 bis 300 K.

Skyrmions in reduzierten Dimensionen: eine SPM-Analyse (DFG - SPP 2137)

Teilprojekt im DFG-Schwerpunktprogramm SPP 2137:  Skyrmionics: Topologische Spin-Phänomene im Realraum für Anwendungen
Projektleitung: Prof. Lukas M. Eng
Arbeitsgruppe: SKY
Förderung: DFG
Laufzeit: 2018-2021
Dieses Projekt widmet sich der fundamentalen Analyse von niederdimensionalen Skyrmionen (SKY)-Systemen mit Hilfe unserer lokalen Sondenmethoden (SPM). Konkret beschränken wir uns auf 2 Klassen von Dünnfilmen, zum einen auf die Familie der lakunaren Spinels unter reduzierten Dimensionen mit GaV4S8 (GVS) dem prominentesten Vertreter hieraus, sowie auf Dünnfilme aus SrIrO3 / SrRuO3 Multilagen. In jüngster Vergangenheit war es uns möglich, mit Hilfe ausgewählter SPM Techniken wie der magnetischen (MFM), der piezoelektrischen (PFM) oder auch der Kelvin-Probe Rasterkraftmikroskopie (KPFM) SKYs und Skyrmionen-Gitter (SkLs) an den Grenz-und Oberflächen einer Vielzahl von bulk-Materialien abzubilden und auf lokaler Skala zu manipulieren, so in den B20-Materialien, dem multiferroischen Isolator Cu2OSeO3, sowie auf genanntem GVS als multiferroischem Halbleiter und seinen Verwandten (GVSe, GMoS, GeVS). Der enorme Vorteil dieser lakunaren Spinels ist deren multiferroische Eigenschaft, die eine mutuelle Manipulation und Beeinflussung sowohl über elektrische, magnetische oder mechanische Felder erlaubt. Genau dies steht im Fokus unseres Projektes. Zunächst stellen wir Dünnfilme der GVS-Materialtypen her, indem wir 4 verschiedene Routen in ihrem Ergebnis der SkL-Ausbildung einerseits und der lokalen Dzyaloshinskii-Moriya Wechselwirkung (DMI) andererseits miteinander vergleichen. Es kommen 2 top-down und 2 bottom-up Verfahren zum Zuge: Während das Focused-Ion-Beam-Milling bzw. Chemical-Mechanical-Polishing zu ca. ~50-nm-dicken, freistehenden Dünnfilmen der GVS-Typen führen, werden als bottom-up Techniken eine Pulsed-Laser-Deposition sowie die Vereinzelung von 0D GVS-Körnern von < 100 nm Durchmesser aus einer polykristallinen Probe eingesetzt. Letztlich wenden wir noch einen Schrägschliff auf alle diese Dünnfilme an, um so direkten Zugang mittels SPM zu inneren, vergrabenen Grenzflächen zu erhalten. Zusätzlich konzentrieren wir unsere lokalen SPM Untersuchungen auch auf die genannten SrIrO3 / SrRuO3 Dünnfilme. Hier gilt es, den Grenzflächen-getriebenen DMI durch Variation der Multilagenabfolge so zu steuern, dass SkLs ausgebildet werden können. Letztlich steht auch die gezielte Manipulation von individuellen SKYs oder auch SkLs in metastabilen Zuständen im Fokus dieses Projektes. Nebst Beeinflussung mittels lokaler magnetischer Felder durch die MFM Spitze sollen die hier eingesetzten Multiferroika auch durch integrale oder lokale elektrische Felder manipuliert werden; darüber hinaus setzen wir piezoelektrische Substrate zur gezielten mechanischen Verspannung der Dünnfilme in-situ ein. Trotz der großen Palette an experimentellen Techniken zur Analyse von bulk-SKY-Materialien, sind es unsere SPM Methoden, die hier unikal Einblicke in die Energetik und Dynamik von solchen 0D, 1D und 2D SKY-Systeme gewähren werden. Selbstverständlich können unsere SPM Techniken auch zur Analyse anderer prospektiver Materialsysteme innerhalb des SPPs eingesetzt werden.

TOPELEC - Topologie leitfähiger ferroelektrischer Domänenwände (DFG)

Projektleitung: Prof. Lukas M. Eng
Arbeitsgruppe: FERROIX
Förderung: DFG
Laufzeit: 2018-2021
Domänenwände (DWs) in Ferroelektrika (FEs) erfreuen sich in den letzten Jahren einer sehr hohen Beachtung, was ursächlich den besonderen Eigenschaften dieser DWs geschuldet ist. Obwohl die DW strukturell nur einige wenige Nanometer breit ist und sogar atomare Dimensionen erreichen kann, zeigen diese Dirac-artigen Deltafunktionen ein sehr reiches "Eigenleben", so z.B. eine gegenüber dem Bulk des Materials verschiedene Dielektrizitätskonstante, einen eigenen Brechungsindex oder gar magnetische Eigenschaften. Unlängst stehen die elektronischen Eigenschaften einer solchen DW im Fokus der Forscher; so ist es (uns) in LiNbO3 (LNO) Einkristallen gelungen, elektrische Ströme von über 10 µA durch eine einzige solche Domänenwand zu leiten. Die Leitfähigkeit in diesen 2-dimensionalen Flächen lässt sich elegant durch Variation des Neigungswinkels der DW gegenüber dem Ordnungsparameter der dielektrischen Polarisation steuern. Als Folge weicht die Struktur und Polarisation der DW dramatisch vom herkömmlichen Bild einer sogenannten Ising-Wand mit stets parallelen Polarisationsvektoren ab; in der Tat können sich in einer solchen Wand lokal sogenannte Néel- oder Bloch-artige Topologien ausbilden und sogar zu lokaler Chiralität der DW führen (Blochlinien). Der Impakt auf die Leitfähigkeit oder die optischen und dielektrischen Eigenschaften der DW einerseits, aber andererseits auch die durch die Leitfähigkeit selbst in der Wand induzierten Veränderungen der Topologien sind noch völlig unklar. Es gilt daher, Materialsysteme wie die hier untersuchte Familie des LNOs systematisch auf die gezielte Manipulation mit solchen Bloch- und Néel-Zuständen hin zu manipulieren und diese repro¬duzierbar herzustellen, sowie solche Effekte lokal unter Einfluss der genannten Veränderlichen zu quantifizieren. Das hier Antrag stellende Konsortium aus Wissenschaftler:innen in Dresden/Deutschland und Strasbourg/Frankreich hat sich in der Vergangenheit mit der Bereitstellung und Untersuchung von lokaler Domänenwandleitfähigkeit auf der Nanometer Längenskala sowie der Quantifizierung von Topologien mittels optisch nichtlinearer Polarimetrie und 3-dimensionalen, bildgebenden Verfahren weltweit sehr bekannt gemacht. Das Zusammenführen dieser beiden Forschungsfelder ist im Hinblick auf ein fundiertes Verständnis über die Ursachen und das Zusammenspiel solcher non-Ising DWs in Ferroelektrika unbedingt notwendig, insbesondere auch vor dem Hintergrund, solche robuste und rekonfigurierbare Bauelemente, wie es DW in LNO darstellen, in künftigen nanoelektronischen und optoelektronischen Devices einzusetzen zu können.

Rastersondenmikroskopie: Magnetische Strukturen und topologische Zustände (DFG - SFB 1143)

Teilprojekt C05 zu SFB 1143:  Korrelierter Magnetismus: Von Frustration zu Topologie 
Projektleitung: Prof. Lukas M. Eng
Arbeitsgruppe: SKY
Förderung: DFG
Laufzeit: 01/2015-12/2022
Dieses Projekt fokussiert sich auf die Aufklärung elektronischer und magnetischer Strukturen im atomaren Maßstab mit Hilfe von Rastersondenmikroskopie-Techniken. Lokale elektronische Zustands­dichten und Quasiteilchen-Interferenzen werden mit Rastertunnelmikroskopie und -spektroskopie (STM/STS) analysiert, während magnetische Texturen und magnetoelektrische Effekte mittels Magnetkraftmikroskopie (MFM) und Kelvin-Kraftmikroskopie untersucht werden. Für die quantitative Analyse magnetischer Texturen werden neuartige MFM-Methoden bei tiefen Temperaturen eingesetzt. Materialien von besonderem Interesse sind Kandidaten für die Realisierung von Quantenspinflüssigkeiten, Skyrmionensysteme und Weyl-Semimetalle.      

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