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Topologie leitfähiger ferroelektrischer Domänenwänden

Fachliche Zuordnung Experimentelle Physik der kondensierten Materie
Förderung Förderung von 2018 bis 2022
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 407435946
 
Erstellungsjahr 2025

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Domänenwände (DWs) in Ferroelektrika (FEs) erfreuen sich in den letzten Jahren einer sehr hohen Beachtung, was ursächlich den besonderen Eigenschaften dieser DWs geschuldet ist. Obwohl die DW strukturell nur einige wenige Nanometer breit ist und sogar atomare Dimensionen erreichen kann, zeigen diese Dirac-artigen Deltafunktionen ein sehr reiches „Eigenleben“, so z.B. eine gegen–über dem Bulk des Materials verschiedene Dielektrizitätskonstante, einen eigenen Brechungsindex oder gar magnetische Eigenschaften. Unlängst stehen die elektronischen Eigenschaften einer solchen DW im Fokus der Forscher; so ist es in LiNbO3 (LNO) Einkristallen gelungen, elektrische Ströme von über 10 µA durch eine einzige solche Domänenwand zu leiten. Die Leitfähigkeit in diesen 2-dimensionalen (2D) Flächen lässt sich elegant durch Variation des Neigungswinkels der DW gegenüber dem Ordnungsparameter der dielektrischen Polarisation steuern. Als Folge weicht die Struktur und Polarisation der DW dramatisch vom herkömmlichen Bild einer sogenannten Ising-Wand mit stets parallelen Polarisationsvektoren ab; in der Tat können sich in einer solchen Wand lokal sogenannte Néeloder Bloch-artige Topologien ausbilden und sogar zu lokaler Chiralität der DW führen. Der Impakt auf die Leitfähigkeit oder die optischen und dielektrischen Eigenschaften der DW einerseits, aber auch die durch die Leitfähigkeit selbst in der Wand induzierten Veränderungen der Topologien andererseits, sind noch völlig unklar. Es gilt daher, Materialsysteme wie die hier untersuchte Familie des LNOs systematisch auf die gezielte Manipulation mit solchen Bloch- und Néel-Zuständen hin zu manipulieren, diese reproduzierbar herzustellen sowie solche Effekte lokal unter Einfluss der genannten Veränderlichen zu quantifizieren. Das hier Antrag stellende Konsortium aus Wissenschaftlern in Dresden/Deutschland und Strasbourg/Frankreich hat sich in der Vergangenheit mit der Bereitstellung und Untersuchung von lokaler Domänenwandleitfähigkeit auf der Nanometer Längenskala sowie der Quantifizierung von Topologien mittels optisch nichtlinearer Polarimetrie und 3D bildgebenden Verfahren weltweit bekannt gemacht. Das Zusammenführen dieser beiden Forschungsfelder ist im Hinblick auf ein fundiertes Verständnis über die Ursachen und das Zusammenspiel solcher non-Ising DWs in Ferroelektrika unbedingt notwendig, insbesondere auch vor dem Hintergrund, solche robuste und rekonfigurierbare Bauelemente, wie es DWs in LNO darstellen, in künftigen nanoelektronischen und optoelektronischen Devices einsetzen zu können.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

 
 

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