3D-Strukturierung von dünnen Oxid-Mehrfachschichten mit dem Ionenstrahl
Theoretische Physik der kondensierten Materie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ungewöhnliche Materialeigenschaften wie Supraleitung, der Metall-Isolator-Übergang, der Riesenmagnetwiderstand, oder Ladungs- und Orbitalordnung in Oxiden beruhen auf einem komplexen Wechselspiel von Ladungs-, Spin-, Orbital- und Gitter-Freiheitsgraden. Geringfügige strukturelle Veränderungen durch die Variation von Temperatur, Druck oder chemischer Umgebung beeinflussen dieses Gleichgewicht und so die Materialeigenschaften. Die Feinabstimmung dieser Wechselwirkungen hat sich jedoch als schwierig erwiesen. In diesem Zusammenhang hat sich das Defekt-Engineering durch Ionenbestrahlung als eine leistungsfähige Methode erwiesen, um komplexe, sonst schwer zugängliche Phasen von Oxid-Dünnschichten gezielt zu steuern. Durch das Einbringen von Verzerrungen und elektronischer Unordnung ermöglicht dieser Ansatz die kontrollierte Manipulation dieser Materialien. Dieses Projekt vereint die Expertise von drei wichtigen Forschungsgruppen: der Gruppe der National Chiao Tung University (Taiwan) für Dünnschichtepitaxie, der TU Chemnitz für Dichtefunktionaltheorie-Berechnungen und der HZDR-Gruppe für Ionenbestrahlung und Materialcharakterisierung. Wir haben Heliumionenstrahlen auf verschiedene Übergangsmetalloxidfilme angewendet und erfolgreich eine kontrollierbare Abstimmung ihrer strukturellen, elektrischen und magnetischen Eigenschaften erreicht. Diese Abstimmung wurde mit sowohl lateraler als auch Tiefenauflösung, also dreidimensional, realisiert. Zu den wichtigsten Ergebnissen gehören: (1) die Erzeugung von supertetragonalem BiFeO3 sowie die Bildung von in-plane geladenen Antiphasengrenzen und 180°-Domänenwänden in BiFeO3-Filmen durch Heliumimplantation; (2) die Induzierung des topologischen Hall-Effekts in dicken SrRuO3-Schichten mittels tiefengradientem Defekt-Engineering; und (3) die laterale Strukturierung von NiCo2O4-Filmen mit modulierten magnetischen und elektrischen Eigenschaften. Darüber hinaus haben wir den Metall-Isolator-Übergang in La0.7Sr0.3MnO3-δ und SrVO3-Dünnschichten demonstriert. Es ist bemerkenswert, dass die Ionenstrahltechnologie bereits gut für die auf Silizium basierende Chip-Technologie entwickelt wurde und eine industrietaugliche Wiederholbarkeit und Skalierbarkeit bietet. Somit haben wir der wissenschaftlichen Gemeinschaft eine vielseitige Methode zur Abstimmung von Oxidfilmen bereitgestellt, die auf verschiedene Materialien anwendbar ist und bereit für industrielle Anwendungen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Controllable defect driven symmetry change and domain structure evolution in BiFeO3with enhanced tetragonality. Nanoscale, 11(17), 8110-8118.
Chen, Chao; Wang, Changan; Cai, Xiangbin; Xu, Chao; Li, Caiwen; Zhou, Jingtian; Luo, Zhenlin; Fan, Zhen; Qin, Minghui; Zeng, Min; Lu, Xubing; Gao, Xingsen; Kentsch, Ulrich; Yang, Ping; Zhou, Guofu; Wang, Ning; Zhu, Ye; Zhou, Shengqiang; Chen, Deyang & Liu, Jun-Ming
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Ion irradiation effect in complex oxides: Another degree of freedom or complexity? Oral talk at 64th Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials, 03.-08.11.2019, Las Vegas, US
S. Zhou, C. Wang, P. Pandey, C. H. Chang, R. Ganesh, D. Chen, S. Gemming, Y.-H. Chu & M. Helm
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Ion irradiation effect in complex oxides: Another degree of freedom or complexity? Seminar talk at DESY, 06.-07.05.2019, Hamburg, Deutschland
S. Zhou, C. Wang, P. Pandey, C. H. Chang, R. Ganesh, D. Chen, S. Gemming, Y.-H. Chu & M. Helm
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Tuning the metal-insulator transition in epitaxial SrVO3 films by uniaxial strain. Physical Review Materials, 3(11).
Wang, Changan; Zhang, Hongbin; Deepak, Kumar; Chen, Chao; Fouchet, Arnaud; Duan, Juanmei; Hilliard, Donovan; Kentsch, Ulrich; Chen, Deyang; Zeng, Min; Gao, Xingsen; Zeng, Yu-Jia; Helm, Manfred; Prellier, Wilfrid & Zhou, Shengqiang
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Para-ferroelectric phase transition driven by swift heavy-ion irradiation in KTN crystal. Applied Surface Science, 519, 146261.
He, Shan; Yang, Quanxin; Li, Xiaojin; Liu, Hongliang; Cao, Lei; Akhmadaliev, Shavkat; Wang, Xuping; Ren, Yingying; Zhou, Shengqiang & Wu, Pengfei
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Topological Hall Effect in Single Thick SrRuO3 Layers Induced by Defect Engineering. Advanced Electronic Materials, 6(6).
Wang, Changan; Chang, Ching‐Hao; Herklotz, Andreas; Chen, Chao; Ganss, Fabian; Kentsch, Ulrich; Chen, Deyang; Gao, Xingsen; Zeng, Yu‐Jia; Hellwig, Olav; Helm, Manfred; Gemming, Sibylle; Chu, Ying‐Hao & Zhou, Shengqiang
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Metal–Insulator Transition via Ion Irradiation in Epitaxial La0.7Sr0.3MnO3−δ Thin Films. physica status solidi (RRL) – Rapid Research Letters, 15(11).
Cao, Lei; Herklotz, Andreas; Rata, Diana; Yin, Chenyang; Petracic, Oleg; Kentsch, Ulrich; Helm, Manfred & Zhou, Shengqiang
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Migration Kinetics of Surface Ions in Oxygen‐Deficient Perovskite During Topotactic Transitions. Small, 17(51).
Cao, Lei; Petracic, Oleg; Wei, Xian‐Kui; Zhang, Hengbo; Duchoň, Tomáš; Gunkel, Felix; Koutsioubas, Alexandros; Zhernenkov, Kirill; Rushchanskii, Konstantin Z.; Hartmann, Heinrich; Wilhelm, Marek; Li, Zichao; Xie, Yufang; He, Suqin; Weber, Moritz L.; Veltruská, Kateřina; Stellhorn, Annika; Mayer, Joachim; Zhou, Shengqiang & Brückel, Thomas
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Tailoring oxide thin films by ion beam Invited talk at 10th Vacuum and Surface Sciences Conference of Asia and Australia, 11.- 14.10.2021, Shanghai, China
S. Zhou
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Tailoring oxide thin films by ion beam Invited talk at 2nd International Workshop on Advanced Magnetic Oxides, 24.-26.11.2021, Aveiro, PORTUGAL
S. Zhou
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Phase transition in La0.6Sr0.4CoO3-δ thin films by ion irradiation Poster at German Conference for Research with Synchrotron Radiation, Neutrons and Ion Beams at Large Facilities, SNI 2022, 05.-07.09.2022, Berlin, Germany
Y. Zhou, L. Cao, A. Herklotz, D. Rata, R. Hübner, S. He, F. Gunkel, T. Duchon, U. Kentsch, M. Helm & S. Zhou
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Tailoring oxide quantum materials by ion beams Poster at LEAPS meets Quantum Technology, 15.-20.05.2022, La Biodola, Italy
C. Wang, C.-H. Chang, A. Herklotz, U. Kentsch, D. Chen, Y.-H. Chu, M. Helm & S. Zhou
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Tailoring oxide thin films by ion beam Oral talk at 22nd International Conference on Ion Beam Modification of Materials, 10.- 15.07.2022, Lisbon, Portugal
S. Zhou
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Defect engineering for oxide thin films by ion irradiation invited talk at E-MRS 2023 Fall Meeting, 18.-21.09.2023, Warsaw, Poland
S. Zhou
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Defect engineering for oxide thin films by ion irradiation Oral talk at 21st International Conference on Radiation Effects in Insulators, 03.-08.09.2023, Fukuoka, Japan
S. Zhou
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In-plane charged antiphase boundary and 180° domain wall in a ferroelectric film. Nature Communications, 14(1).
Cai, Xiangbin; Chen, Chao; Xie, Lin; Wang, Changan; Gui, Zixin; Gao, Yuan; Kentsch, Ulrich; Zhou, Guofu; Gao, Xingsen; Chen, Yu; Zhou, Shengqiang; Gao, Weibo; Liu, Jun-Ming; Zhu, Ye & Chen, Deyang
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Tripling energy storage density through order–disorder transition induced polar nanoregions in PbZrO3 thin films by ion implantation. Applied Physics Reviews, 10(1).
Luo, Yongjian; Wang, Changan; Chen, Chao; Gao, Yuan; Sun, Fei; Li, Caiwen; Yin, Xiaozhe; Luo, Chunlai; Kentsch, Ulrich; Cai, Xiangbin; Bai, Mei; Fan, Zhen; Qin, Minghui; Zeng, Min; Dai, Jiyan; Zhou, Guofu; Lu, Xubing; Lou, Xiaojie; Zhou, Shengqiang ... & Liu, Jun-Ming
