Seltene-Erde-Sulfid-Dünnschichten mit erweiterten magneto-optischen Eigenschaften

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Jörg Debus; Professorin Dr. Anjana Devi
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2014
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 258179787

Die jüngsten technischen Innovationen in der Nanotechnologie basieren auf dem Abstimmen der Materialeigenschaften, deren Verständnis und Kontrolle zu neuen und bisher unerforschten Phänomenen führen. Mit dem Aufkommen neuer Materialien, wie z. B. 2D-Sulfiden, wächst das Interesse an der Untersuchung ihrer grundlegenden Eigenschaften mit der Vision, sie für zukünftige Anwendungen einzusetzen. Unter den Sulfiden wurden die Seltene-Erde-Sulfide (RES) vom fundamentalen wie auch Anwendungsstandpunkt aus bisher kaum untersucht. Ein faszinierendes Thema ist die optische Kontrolle ihres magnetischen Zustands für schnelle magneto-optische Anwendungen; ihre entsprechenden Eigenschaften sind jedoch weitgehend unerforscht. Bislang weisen die RES-Materialien nicht den gleichen Reifegrad auf wie andere Oxide oder andere Metallsulfide. Vor allem gibt es kein zuverlässiges synthetisches Rezept, um diese Materialien in hoher Qualität und in großem Maßstab herzustellen. Obwohl die chemische Gasphasenabscheidung (CVD) und die Atomlagenabscheidung (ALD) für die Herstellung von Metallsulfiden viel Aufmerksamkeit erhalten, ist das Synthetisieren von RES-Filmen aufgrund des Mangels an geeigneten RE-Präkursoren begrenzt. Dieses Projekt zielt daher sowohl auf die Entwicklung neuer CVD- und ALD-Prozesse für EuS, Nd2S3, Er2S3 und SmS unter Verwendung neuer Präkursoren als auch auf die Erarbeitung ihrer magneto-opto-elastischen Eigenschaften einschließlich der optischen Erzeugung kollektiver ferromagnetischer Zustände (CFS) mit riesigen magnetischen Momenten ab. Die Nachteile, die mit den derzeit begrenzten physikalisch-chemischen Eigenschaften der RE-Präkursoren verbunden sind, werden adressiert und durch einen rationalen Ansatz für das Liganden-Design verbessert. Die kristallographische Struktur, Zusammensetzung und Morphologie der CVD- und ALD-synthetisierten RES-Schichten werden detailliert untersucht. Die Schichtdicke wird bis hinunter in den Nanometerbereich skaliert, um schließlich 2D-RES-Schichten zu erzeugen. Die Schichtdickenvariation sowie die Art des Präkursors sind Stellschrauben für die magneto-optischen und magneto-elastischen Eigenschaften der RES. Diesbezüglich wird die resonante Laserspektroskopie die radiativen und nicht-radiativen Interbandübergänge, ihre Kopplung an ein äußeres Magnetfeld und an das Gitter sowie Magnon-Phonon-Wechselwirkungen charakterisieren. Die optische Erzeugung von CFS wird weiterhin in Abhängigkeit von der kristallographischen und magnetischen Struktur der RES-Dünnschichten sowie von spezifischen resonanten Laseranregungen eruiert. Die Bildung und Stabilität der CFS werden durch Pump&Probe-Faraday-Rotationsexperimente zeitaufgelöst beschrieben. Die neu entwickelten RES-Filme mit maßgeschneiderten funktionalen Eigenschaften in Kombination mit fortgeschrittener Resonanz-Laserspektroskopie werden einen umfassenden Einblick in das Potenzial von RES-Filmen für opto-elektronische und magneto-optische Anwendungen geben.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen