Rasterkraftmikroskopieanlage
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Fachgruppe Dörr hat im Berichtszeitraum Forschungsprojekte zur Epitaxie und den elektronischen Eigenschaften ferroischer (magnetischer, ferroelektrischer) Oxid-Schichtsysteme sowie zu ferroelektrischen Eigenschaften von Polymerschichten bearbeitet. Das Rasterkraftmikroskop wurde regelmäßig in zwei Arbeitsbereichen eingesetzt: (i) der Qualitätskontrolle der Oberflächenbeschaffenheit von Substraten und Schichten bei der Dünnschichtpräparation durch gepulste Laserdeposition und (ii) der Manipulation und Abbildung ferroelektrischer Domänen. Eine weitere Nutzung in etwas geringerem Umfang erfolgte zur Charakterisierung sowohl magnetischer als auch ferroelektrischer nanoskaliger Domänen in multiferroischen Nanokompositen. Die zwei wichtigsten Ergebnisse werden im Folgenden kurz beschrieben. 1) Es wurde eine Methode entwickelt, um ferroelektrische Domänen in Abhängigkeit von einer in situ kontrollierbaren epitaktischen Dehnung in der Schichtebene durch piezoelektrische Kraftmikroskopie (PFM) abzubilden. Dafür wurde ein piezoelektrisches Schichtsubstrat verwendet, das für quantitative Studien geeignete homogene Dehnungen erzeugen kann. Dadurch gelang der Nachweis eines unerwartet hohen Einflusses elastischer Dehnungen auf die ferroelektrische Domänenwandgeschwindigkeit in PbZr 0.2Ti0.8O3. Bisher war, unseres Wissens nach, die Anwendung einer variablen biaxialen Schichtdehnung im Kraftmikroskop nicht möglich. Unser methodischer Ansatz ist auf andere Messmodi der Kraftmikroskopie sehr gut übertragbar. 2) An ferroelektrischen Polymerschichten des häufig untersuchten und angewendeten Prototyps P(VDF-TrFE), welche im SFB TR102 Polymers under multiple constraints (Halle, Leipzig) hergestellt wurden, wurde eine unbekannte Art des mechanischen Schaltens der Polarisation durch die Kraftmikroskopiespitze beobachtet und in der Doktorarbeit von Robert Roth systematisch untersucht. Das mechanische Schalten ermöglicht die wahlweise nanoskalige oder großflächige Ausrichtung der elektrischen Polarisation in der Schichtebene, wodurch der piezoelektrische Effekt auf ein Mehrfaches erhöht werden konnte. In der Doktorarbeit von Sujit Das („Magnetic order at coherent oxide interfaces“) wurde das Kraftmikroskop regelmäßig zur topografischen Analyse der SrTiO3-Substrate eingesetzt. Die eindeutige chemische Terminierung (TiO2) ist die Voraussetzung für die Präparation atomar definierter Grenzflächen in den untersuchten Schichtsystemen (aus SrRuO 3 und ferromagnetischen Manganaten) und wurde präparationsbegleitend durch AFM (atomic force microscopy) geprüft. Außerdem vermittelt AFM einen schnellen Einblick in das Wachstum und die Rauigkeit / Oberflächentopologie der Schichten. Diese Forschungsrichtung wird von Lukas Bergmann in seiner Doktorarbeit fortgesetzt, der Grenzflächen in oxidischen Schichtsystemen mit schweren Übergangsmetallen und hoher Spin-Bahn-Kopplung untersucht. Beide Arbeiten sind Bestandteil des Projekts A9 im SFB Funktionalität oxidischer Grenzflächen. Im Projekt A8 desselben SFB nutzt der Doktorand Tino Band die leitfähige Kraftmikroskopie (C-AFM), um das Zusammenspiel von resistivem elektrischem Schalten und begleitenden topografischen Änderungen an ultradünnen ferroelektrischen Tunnelbarrieren zu charakterisieren.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Ferroelectric 180° Domain Wall Motion Controlled by Biaxial Strain, Adv. Mater. 27, 1615 (2015)
E.-J. Guo, R. Roth, A. Herklotz, D. Hesse, K. Dörr
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/adma.201405205) - Strain dependence of antiferromagnetic interface coupling in La0.7Sr0.3MnO3/SrRuO3 superlattices, Phys. Rev. B 91, 134405 (2015)
S. Das, A. Herklotz, E. Pippel, E.-J. Guo, D. Rata, K. Dörr
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevB.91.134405) - Straininduced improvement of retention loss in PbZr0.2Ti0.8O3 films, Appl. Phys. Lett. 106, 072904 (2015)
E.-J. Guo, R. Roth, S. Das, A. Herklotz, K. Dörr
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.4913421) - Influence of piezoelectric strain on the Raman spectra of BiFeO3 films, Appl. Phys. Lett. 108, 042902 (2016)
C. Himcinschi, E.-J. Guo, A. Talkenberger, K. Dörr, J. Kortus
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.4940973) - Controllable piezoelectricity of PbZr0.2Ti0.8O3 film via in situ strain, Appl. Phys. Lett. 110, 032901 (2017)
H. J. Lee, E.-J. Guo, J. H. Kwak, S. H. Hwang, K. Dörr, J. H. Lee, J. Y. Jo
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.4974450) - Giant room temperature magnetoelectric response in strain-controlled nanocomposites, Appl. Phys. Lett. 110, 202902 (2017)
M. Rafique, A. Herklotz, K. Dörr, S. Manzoor
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.4983357)
