Multiferroische Materialien: Eine neue Klasse von Multifunktionswerkstoffen. Prozessoptimierung für die Herstellung monolithischer Dünnschichten aus BiFeO3
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Bismutferrit (BiFeO3, BFO) ist eine der wenigen bei Raumtemperatur multiferroischen Perovskite und ist daher eine für die Grundlagenforschung und Anwendungsentwicklung gleichermaßen interessante Substanz. Mit aufwändigen Herstellungsverfahren konnten sehr gute Eigenschaften für dünne BFO-Schichten unter 100 nm Dicke nachgewiesen werden. Das soll hier auch für etwas dickere Schichten über 100 nm und aus dem Sol-Gel-Verfahren etabliert werden. Als Ergebnis einer systematischen Optimierung von Ausgangssol und Präparationsbedingungen können Schichten mit guten Eigenschaften hergestellt werden. Die Schichten sind phasenrein und zeigen hohe ferroelektrische Polarisationen. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass BiFeO3 phasenrein blieb, auch dann wenn Überschüsse von Fe2O3 von bis zu 5mol% bzw. Bi2O3 von bis zu 10 mol% über die Stöchiometrie hinaus vorhanden waren. Zumindest für Dünnschichten konnte hierdurch abgeleitet werden, dass FeBiO3 keine Strichphase ist, wie es in den meist verwendeten Fe2O3-Bi2O3-Phasendiagrammen[1-5] angegeben wird. Wir haben daher das Phasendiagramm durch ein Existenzbereich modifiziert. Mit Hilfe von Raman-Messungen konnte ebenfalls gezeigt werden, dass der Bi2O3-Überschuss einen Phasenübergang Monoklin-Orthorhombisch induziert. Die Schichten wiesen eine geringe Leitfähigkeit und gleichzeitig eine hohe ferroelektrische Polarisation auf. Es wurde ein AFM mit einem selbst entwickelten „Spreading-Resistance“ Modul für c-AFM (conductive-Tip) Messungen modifiziert. Das Modul erlaubt sowohl lokale Leckströme (Punktmessungen) sowie Letifähigkeitsscans aufzunehmen. Merkmal dieses Moduls ist die hohe Auflösung von 60fA (rms). In den Messungen der lokalen Leitfähigkeit konnten Inhomogenitäten beobachtet werden, die nicht auf Kornstruktur oder lokaler Kristallstruktur beruhen. Über den Bi2O3-Überschuss hinaus konnte der Einfluss von Manganaten der seltenen Erden auf Leitfähigkeit, Polarisation und magnetische Eigenschaften systematisch Untersucht werden. Erstmal konnte eine Verbindung, Bi0.9Gd0.1Fe0.9Mn0.1O3, vorgeschlagen werden, die vielversprechende multiferroische Eigenschaften besitzt. Die Magnetisierung war ausreichend groß, so dass die Néel-Temperatur der Dünnschicht mit einem VSM (Vibrating Sample Magnetometer) bestimmt werden konnte. An BFO-Dünnschichten ist die erste Messung dieser Art. Die Herkunft der lokalen Leitfähigkeitsunterschiede konnte nicht abschließend geklärt werden. Aufbauend auf den nun vorliegenden Erkenntnissen soll in weiteren Untersuchungen die Ursache für diese erhöhten Leckströme gefunden werden. Das Ziel ist dabei neben dem Verständnis auch die Kontrolle und Stabilisierung der Leitfähigkeit sowie der damit verknüpften Eigenschaften. Die starken c-AFM-Kontraste in den Leitfähigkeitsscans, welche auf Fehlstellen in der Mikrostruktur hindeuten, konnten nicht mit Mikrostrukturelementen korreliert werden. Hier muss ein Komplex an Untersuchungsverfahren einschließlich Scanning Capacitance -AFM sowie Hochauflösungs-TEM eingesetzt werden. Bis jetzt ist es uns indes noch nicht gelungen die Mikrostruktur im Hinblick auf ein epitaktisches Wachstum zu kontrollieren. Es ist durchaus eine verfahrenstechnische Herausforderung solche Mikrostrukturkontrolle mit dem Sol-Gel-Verfahren zu realisieren. Noch bessere Eigenschaften als bis jetzt gemessen sind dadurch zu erwarten. Wie bei der Vielfalt der auftretenden Kristallstrukturen und Phasenübergängen ist auch bei den Eigenschaften diese Stabilisierung nötig, um Anwendungen zu ermöglichen. Reine und dotierte Bismutferritschichten besitzen faszinierende Möglichkeiten. Und entsprechend wurden viele Anwendungen vorgeschlagen und untersucht, wie z.B. die Verwendung als Gassensoren, für ferroelektrische Speicherung oder Speicherung durch schaltbare Widerstände, schaltbare Dioden oder die Erzeugung von Terahertzstrahlung. Das setzt aber eine robuste Materialherstellung voraus, wozu die hier gewonnenen Erkenntnisse von Soleigenschaften über Kornstruktur und Textur bis zu Dotierungseinflüssen beitragen. Mit Bi0.9Gd0.1Fe0.9Mn0.1O3 wurde ein multiferroisches Material mit besseren magnetischen Eigenschaften als Bismutferrit vorgestellt. Inwieweit sich hiermit die für Bismutferrit erhofften Anwendungen besser realisieren lassen, ist noch offen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Observation of structural transitions and Jahn-Teller distortion in LaMnO3-doped BiFeO3 thin films. Applied Physics Letters 92, 151910 (2008)
G. Kartopu, A. Lahmar, S. Habouti, C.-H. Solterbeck, B. Elouadi, and M. Es-Souni
- Texture and microstructure of Bismuth Iron oxide thin films analyzed by EBSD, AMS&T'08, 1197 (2008)
D. Goran, A. Gilinia, A. Lahmar, S. Habouti, C.-H. Solterbeck, and M. Es-Souni
- Correlation between structure, dielectric, and ferroelectric properties in BiFeO3–LaMnO3 solid solution thin films. Journal of Applied Physics 105, 014111 (2009)
A. Lahmar, S. Habouti, C-H. Solterbeck, M. Es-Souni, and B. Elouadi
- Effects of rare earth manganites on structural, ferroelectric, and magnetic properties of BiFeO3 thin films. Applied Physics Letters 94, 012903 (2009)
A. Lahmar, S. Habouti, M. Dietze, C.-H. Solterbeck, and M. Es-Souni
- Multiferroic properties of Bi0.9Gd0.1Fe0.9Mn0.1O3 thin film. Journal of Applied Physics 107, 024104 (2010)
A. Lahmar, S. Habouti, C-H. Solterbeck, M. Dietze, and M. Es-Souni
