Tuning von Vanadiumdioxidschichten durch extreme Verspannung - lokale Untersuchung komplexer Übergangsphänomene und exotischer Phasen

• Antragsteller: Professor Dr. Jan Ingo Flege; Dr. Jon-Olaf Krisponeit
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 362536548

Vanadiumdioxid ist ein korreliertes Oxid mit einem Metall-Isolator-Übergang bei etwa 340 K. Damit einher geht ein struktureller Übergang von der Rutilstruktur im metallischen Hochtemperaturzustand zu einer monoklinen Struktur im isolierenden Tieftemperaturzustand. Dabei lässt sich die Übergangstemperatur durch mechanische Verspannung in einem breiten Bereich variieren; auch kann der Übergang durch elektrische Felder getrieben werden. Darüberhinaus ist bekannt, dass bei Verspannung auch andere, exotische Phasen auftreten können. Insgesamt birgt Vanadiumdioxid damit ein großes Potential für Anwendungen z. B. in der Oxidelektronik, wofür diese Eigenschaften allerdings im Dünnschichtbereich gezielt kontrollier- und manipulierbar sein sollten.In diesem Projekt untersuchen wir simultan das Wachstum und die strukturellen sowie elektronischen Eigenschaften von Vanadiumdioxidfilmen auf Rutheniumdioxidoberflächen verschiedener Orientierung in situ mittels niederenergetischer Elektronenmikroskopie (LEEM). Hierbei machen wir uns zunutze, dass sich bei der Oxidation der Rutheniumoberfläche gleichzeitig Inseln verschiedener kristallographischer Orientierung ausbilden können, die bei anschließendem Vanadiumdioxidwachstum als Template fungieren. Die Gitterfehlanpassung der auf Rutheniumdioxid gewachsenen ultradünnen Vanadiumdioxidfilme stellt eine je nach Orientierung verschiedene und teilweise extreme Verspannung in Aussicht. Von dieser extremen Verspannung erwarten wir das Auftreten bisher nicht untersuchter exotischer Phasen sowie allgemein einen deutlich größeren Einstellbereich der Übergangstemperatur von Vanadiumdioxid. Wir werden die verschiedenen Phasen mittels LEEM und darauf aufbauenden lokalen Beugungs- und Spektroskopiemethoden sowie mit verwandten Synchrotrontechniken eingehend charakterisieren. Parallel streben wir mittels rastersondenmikroskopischer Methoden einzigartige Einblicke in kleinskalige Phasenseparationsphänomene an und untersuchen, bereits in Hinblick auf mögliche Anwendungen, auch den Einfluss elektrischer Felder. Zudem soll in einem weiteren Schritt durch den Einsatz von auf Saphirsubstraten sputter-deponierten Rutheniumfilmen eine größere technologische Relevanz erzielt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen