Multikomponentige äquiatomare Hochentropie-Oxide - Synthese und magneto-elektronsche Eigenschaften

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Horst Hahn
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 400731580

Multikomponentige Hochentropie-Oxide (HEO) sind einphasige Oxide, die aus fünf oder mehr Kationen in äquimolarer Zusammensetzung statistischer Verteilung bestehen. Obwohl das Gebiet der HEO erst 5 Jahre alt ist, wurden bereits mehrere interessante strukturelle und funktionelle Merkmale berichtet, darunter mehrere aus den Arbeiten im Rahmen der ersten Projektphase. Die spezifischen Errungenschaften aus der zweijährigen Förderphase sind: (a) Entdeckung der Seltenen-Erd-Übergangsmetall-basierten Perovskit-HEO (P-HEO) und der anionen-seitig ungeordneten HE-Oxyfluoride (HEOF); (b) Realisierung von ausgezeichneter elektrochemischen Eigenschaften von Kochsalzstruktur-HEO und HEOF als Anoden und Kathoden für Li-Ionenzellen; (c) Aufklärung der reversibel kontrollierbaren elektronischen Bandstruktur von Fluorid-HEO und (d) Beobachtung von exotischen magnetischen Phänomenen verursacht durch die extreme chemische Unordnung in P-HEO, wie Austausch-Wechselwirkung, große magneto-kristalline Anisotropie, große Koerzitivfelder bei Raumtemperatur, usw. Diese Ergebnisse stammen aus sehr grundlegenden, aber vielfältigen Untersuchungen, mit der Absicht aufzuklären, ob das Gebiet der HEO es verdient, weitere Studien zu machen, und die klar zeigen, dass unvorhergesehene Phänomene in multikomponentigen HE-Systemen auftreten. In den im vorliegenden Antrag geplanten Arbeiten wird das klar ausgerichtete Ziel verfolgt, eine neue Klasse von Materialien für Magnetoelektronik mit verbesserten oder bislang unbekannten Funktionalitäten zu entwickeln auf der Basis von chemischer Unordnung auf kationischem und anionischem Teilgitter, wie dies durch den Hochentropie-Ansatz möglich ist. Auf der Basis der vorliegenden Ergebnisse, die eine starke Verbindung zwischen chemischer Unordnung, strukturellen Verzerrungen und Stabilisierung von ungewöhnlichen Spin-Zuständen zeigen, wurden die Seltenenerd-Metall P-HEO gewählt. Zusätzlich sind P-HEO eine optimale Wahl wegen der Vielfalt an physikalischen Eigenschaften der Basis-Perovskite, wie kolossaler Magnetowiderstand, magneto-elektronische Phasenseparation, Mott-Übergänge, Spin-Elektron-Korrelation, usw. Die Vorgehensweise zum Steuern der Austausch-Wechselwirkungen zwischen den Übergangsmetall-Kationen und damit den magneto-elektronischen Eigenschaften beinhaltet Elektron- und Loch-Dotierung durch Ändern im Kationen-Teilgitter, durch Dehnung in epitaktischen Filmen und reversiblen Ein- und Ausbau von Anionen (O2- or F-) durch Wärmebehandlung oder Elektrochemie. Die mehrjährige Erfahrung der Arbeitsgruppe in Filmwachstum, Magnetismus, magneto-elektronischer/-ionischer Kontrolle von Magnetismus in Kombination mit den neuen Ergebnissen zu HEO werden genutzt, um das Ziel der neuen Magneto-Elektronik mit HEO zu erreichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Kooperationspartner: Professor Dr. Xiaoqing Pan
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Heiko Wende