Kontrollierte Einstellung der Atomstruktur in Funktionsmaterialien durch akustische Wellen und elektrische Felder

• Antragsteller: Professor Dr. Matthias Zschornak
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 409743569

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Bedeutende Fortschritte im Verständnis der Ausbildung elektrischer Polarisation und magnetoelektrischer Phänomene als Ergebnis aktiver Forschung der letzten Jahrzehnte auf dem Gebiet der kondensierten Materie und der Nanotechnologie ermöglichten das Design neuer Klassen von Funktionselementen auf Grundlage der Kombination magnetoelektrischer und piezoelektrischer Kopplungen. Makroskopische Eigenschaften wie Multiferroismus und Piezoelektrizität sind mit lokalen Strukturveränderungen verbunden, die unter dem Einfluss äußerer Störungen auftreten. Für eine kontrollierte Einstellung der zugrundeliegenden atomistischen Verschiebungen bietet die in-situ-Charakterisierung der strukturellen Antwort auf die externen Feldparameter einen zentralen Zugang. In diesem Projekt untersuchten deutsche und russische Wissenschaftlergruppen insbesondere den Einfluss stehender akustischer Wellen und elektrischer Felder auf die atomistische Kristallstruktur ausgewählter Piezoelektrika mit dem Ziel die Ursachen der Kopplungsphänomene besser zu verstehen und die Variabilität abgeleiteter Materialeigenschaften lokal strukturieren und somit auch für neue Anwendungsfelder erschließen zu können. Dabei wurde für die betrachteten Materialien LiNbO3/LiTaO3, TeO2, Li2B4O7, ZnO, RbH2PO4, BaTiO3, YMn2O5 und die MFP-Phase in SrTiO3 ein vertieftes Verständnis von Atomverschiebungen und Symmetriebrechung erlangt und vielseitige Materialfragestellungen beantwortet. Die materialspezifischen Erkenntnisse umfassen u.a. insbesondere die lokale Symmetriereduktion und Vakanzmigration in TeO2, die Polarisationsentwicklung und Defektdynamiken in LiMO3, die elektronische Struktur der homologen Reihe der Ruddlesden-Popper-Phasen in SrTiO3, als auch den Ursprung der Ferroelektrizität in der kommensurabel modulierten Tieftemperaturphase des YMn2O5. Zum Einsatz kamen zum einen systematische theoretische Modellierung, Vorhersage und Interpretation mittels Dichtefunktionaltheorie und Molekulardynamik und zum anderen die einhergehende experimentelle Charakterisierung der kristallstrukturellen Änderungen unter den extern vorgegebenen Randbedingungen des Druckes bzw. des elektrischen Feldes, sowohl im Labor als auch mit hoher Zeitauflösung >100 kHz in-situ am Synchrotron. Darüber hinaus wurden sowohl neue methodische Ansätze zur reversiblen Transformations-kontrolle von Strukturparametern in den Funktionsmaterialien auf Basis der Resonanten Röntgendiffraktion als auch neue Experimentiereinrichtungen, die sowohl mit konventionellen Röntgenquellen als auch mit Messstationen in Synchrotronstrahlungseinrichtungen auf dem neusten Stand der Technik kompatibel sind, im Projekt weiterentwickelt. In der gemeinsamen Forschungskooperation wurde gezeigt, dass makroskopische Kristallstrukturierung durch äußere physikalische Felder und einhergehende Symmetriebrechung, als auch entsprechendes Defekt-Engineering als Weg hin zur Entwicklung neuer Piezoelektrika genutzt werden kann.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Harmonic principles and resonance in crystals, Skyland Meeting 2019, Sedgefield Western Cape, South Africa, 28th-31st March 2019, eingeladener Vortrag
  M. Zschornak
  
• Morphology and strain field of the migrationinduced field-stabilized polar phase in strontium titanate, REXS 2019: 4th Int. Conf. on REXS, Brookhaven, NY, USA, June 2019, Poster
  T. Weigel, C. Richter, M. Nentwich, E. Mehner, M. Zschornak & D. C. Meyer
  
• Polarization Analysis to Separate the Resonance Contribution to the Allowed X-Ray Reflections. JETP Letters, 110(8), 568-573.
  Ovchinnikova, E. N.; Dmitrienko, V. E.; Kozlovskaya, K. A. & Rogalev, A.
  
• Polarization and Interference Effects in the Resonant Diffraction of Synchrotron Radiation. Journal of Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques, 13(5), 925-933.
  Borisov, M. M.; Dmitrienko, V. E.; Kozlovskaya, K. A.; Mukhamedzhanov, E. Kh.; Ovchinnikova, E. N. & Oreshko, A. P.
  
• Resonantly Suppressed Diffraction - Probing structural distortions with sub-picometer spatial resolution, 4th Int. Conf. on Resonant Elastic X-ray Scattering (REXS 2019), Riverhead Long Island, New York, USA, 17th-21st June 2019, Vortrag
  M. Zschornak
  
• Anisotropy and kinetics of the migration-induced layer formation in TeO2. Journal of Applied Physics, 127(6).
  Kulikov, A. G.; Blagov, A. E.; Ilin, A. S.; Marchenkov, N. V.; Pisarevskii, Yu. V. & Kovalchuk, M. V.
  
• Characterization of dynamic thermal displacements of yttrium manganese oxide, Joint Polish-German Crystallographic Meeting 2020, Wroclaw, Polen, 24.–27. Februar 2020, Vortrag
  T. Weigel, C. Richter, M. Nentwich, M. Zschornak & D. C. Meyer
  
• Forbidden Reflections in TeO2 in the Vicinity of the Te L1 Absorption Edge. Crystals, 10(9), 719.
  Ovchinnikova, Elena; Novikov, Dmitri; Zschornak, Matthias; Kulikov, Anton; Kozlovskaya, Ksenia; Dmitrienko, Vladimir; Oreshko, Alexey; Blagov, Alexander; Mukhamedzhanov, Enver; Marchenkov, Nikita; Borisov, Mickhail; Khadiev, Azat; Petrenko, Arsen & Pisarevsky, Yury
  
• Interactions of Ruddlesden-Popper Phases and Migration-Induced Field-Stabilized Polar Phase in Strontium Titanate, Workshop on Crystal Phase Transitions due to Electric Fields and Standing Acoustic Waves, M. V. Lomonosov Moscow State University, Moskau, Russland, 20.–26. Januar 2020, Vortrag
  C. Ludt
  
• Interactions of Ruddlesden-Popper Phases and Migration-Induced Field-Stabilized Polar Phase in Strontium Titanate,Joint Polish-German Crystallographic Meeting 2020, Wroclaw, Polen, 24.–27. Februar 2020, Vortrag
  C. Ludt, M. Zschornak & D. C. Meyer
  
• Phase Transitions in Functional Oxides, Workshop on Crystal Phase Transitions due to Electric Fields and Standing Acoustic Waves, M. V. Lomonosov Moscow State University, Moskau, Russland, 20.–26.01.2020, eingeladener Vortrag
  M. Zschornak
  
• Synchrotron sample chamber for in-situ experiments, Workshop on Crystal Phase Transitions due to Electric Fields and Standing Acoustic Waves, M. V. Lomonosov Moscow State University, Moskau, Russland, 20.–26. Januar 2020, Vortrag
  T. Weigel
  
• Advances in the Parameter Space Concept for Crystal Structure Determination – a maximum resolution study, XXV Congress of the International Union of Crystallography, Prag, Czech Republic, 14th -22nd August 2021, Poster
  M. Zschornak
  
• Anisotropy of X-ray Absorption Cross Section in CeCoGe3 Single Crystal. Crystals, 11(5), 544.
  Rogalev, Andrei; Wilhelm, Fabrice; Ovchinnikova, Elena; Enikeev, Aydar; Bakonin, Roman; Kozlovskaya, Ksenia; Oreshko, Alexey; Aoki, Dai & Dmitrienko, Vladimir E.
  
• Atomistic Electronic Structure and derived Properties of Crystals by means of DFT using VASP, Scientific Seminar Series „Hardware & Numerics“, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, 25. Mai 2021, eingeladener Vortrag
  M. Zschornak
  
• Controlled tuning of atomic structure in functional materials by acoustic standing waves and electric fields, 25th Congress of the IUCR, Prag, Tschechien, 14.–22.08.2021, Poster
  C. Ludt, A. Kulikov, E. Ovchinikova, D. Novikov, D. C. Meyer & M. Zschornak
  
• Controlled tuning of atomic structure in functional materials by acoustic standing waves and electric fields: 29. Jahrestagung der DGK, Hamburg, 15.–18. März 2021, Poster
  C. Ludt, A. Kulikov, E. Ovchinikova, D. Novikov, D. C. Meyer & M. Zschornak
  
• Defect formation in chemically reduced congruent LiTaO3: ab initio simulations and inelastic neutron scattering. Journal of Materials Chemistry C, 9(38), 13484-13499.
  Köhler, Thomas; Zschornak, Matthias; Zbiri, Mohamed; Hanzig, Juliane; Röder, Christian; Funke, Claudia; Stöcker, Hartmut; Mehner, Erik & Meyer, Dirk C.
  
• Determination of Absolute Structure of Chiral Crystals Using Three-Wave X-ray Diffraction. Crystals, 11(11), 1389.
  Kozlovskaya, Ksenia; Ovchinnikova, Elena; Kokubun, Jun; Rogalev, Andrei; Wilhelm, Fabrice; Guillou, Francois; de Bergevin, Francois; Konstantinova, Alisa F. & Dmitrienko, Vladimir E.
  
• Evolution of Symmetry in Elemental Crystals. Theory and Practice of Mathematics and Computer Science Vol. 6, 21-37. Book Publisher International (a part of SCIENCEDOMAIN International).
  Zschornak, Matthias & Meyer, Dirk C.
  
• From the perturbation of crystal symmetry towards functionality, 29. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Kristallographie, Hamburg, 15.–18. März 2021, Max-von-Laue-Preisvortrag
  M. Zschornak
  
• Handling of Multiple‐Wave Effects in the Measurement of Forbidden X‐Ray Reflections in TeO2. Crystal Research and Technology, 56(5).
  Kozlovskaya, Ksenia A.; Kulikov, Anton G.; Novikov, Dmitri; Ovchinnikova, Elena N.; Ustyugov, Alexey M. & Dmitrienko, Vladimir E.
  
• Helicity-dependent resonant X-ray scattering in CuB2O4. Journal of Synchrotron Radiation, 28(5), 1455-1465.
  Ovchinnikova, E. N.; Rogalev, A.; Wilhelm, F.; de Bergevin, F.; Dmitrienko, V. E.; Oreshko, A. P.; Kozlovskaya, K. A. & Bakonin, R. D.
  
• How to functionalize a perovskite?, 3rd Lab Meeting of the Young Crystallographers @ STOE, Darmstadt, 28.–30. September 2021, eingeladener Vortrag
  M. Zschornak
  
• Interactions of Ruddlesden-Popper Phases and Migration-Induced Field-Stabilized Polar Phase in Strontium Titanate. Crystals, 11(6), 693.
  Ludt, Christian; Ovchinnikova, Elena; Kulikov, Anton; Novikov, Dmitri; Gemming, Sibylle; Meyer, Dirk C. & Zschornak, Matthias
  
• Sample chamber for synchrotron based in-situ X-ray diffraction experiments under electric fields and temperatures between 100 K and 1250 K. Journal of Synchrotron Radiation, 28(1), 158-168.
  Nentwich, Melanie; Weigel, Tina; Richter, Carsten; Stöcker, Hartmut; Mehner, Erik; Jachalke, Sven; Novikov, Dmitri V.; Zschornak, Matthias & Meyer, Dirk C.
  
• Structural characterization of a commensurate low temperature phase of YMn2O5 in pm range with RXD, DESY Photon Science User Meeting, Hamburg, 28.–29.01.2021, Poster
  T. Weigel, C. Richter, M. Nentwich, D. Novikov, M. Zschornak & D. C. Meyer
  
• Structural transformation of the SrTiO3 surface region due to electric fields at ambient temperature, IN: Switching Effects in Transition Metal Oxides, K. Roleder, W. Speier, K. Szot (Eds.), Wydawnictwo Naukowe PWN (2021). ISBN: 9788301213169
  M. Zschornak, J. Hanzig, H. Stöcker, T. Leisegang, S. Gemming & D.C. Meyer
  
• Structure of ferroelectric low temperature phase of yttrium manganate YMn2O5 revisited, 25th Congress of the IUCR, Prag, Tschechische Republik, 14.–22. August 2021, Poster
  T. Weigel, C. Richter, M. Nentwich, M. Zschornak & D.C. Meyer
  
• Structure of ferroelectric low temperature phase of yttrium manganate YMn2O5 revisited, 29. Jahrestagung der DGK, Hamburg, 15.–18. März 2021, Poster
  T. Weigel, C. Richter, M. Nentwich, D. Novikov, M. Zschornak & D.C. Meyer
  
• Study of changes in the atomic crystal structure of functional materials under the influence of acoustic waves and electric fields, Bull. Russian Foundation for Basic Res. 109/110, 13 (2021).
  A. Blagov, N. Marchenkov, A. Kulikov, M. Zschornak & E. Ovchinnikova
  
• Switching effects in strontium titanate,Seminar Geomaterialien, Institut für Kristallographie, RWTH Aachen, 6. Juli 2021, eingeladener Vortrag
  M. Zschornak
  
• X-ray Natural Circular Dichroism Imaging of Multiferroic Crystals. Crystals, 11(5), 531.
  Platunov, Mikhail S.; Gudim, Irina A.; Ovchinnikova, Elena N.; Kozlovskaya, Ksenia A.; Wilhelm, Fabrice; Rogalev, Andrei; Hen, Amir; Ivanov, Vsevolod Y.; Mukhin, Alexander A. & Dmitrienko, Vladimir E.
  
• Accurate Control of Synchrotron Radiation Parameters Using X-ray Acoustic Longitudinal Resonators: Paratellurite (ТeO2) Crystals. Crystallography Reports, 67(7), 1061-1067.
  Eliovich, Y. A.; Blagov, A. E.; Ovchinnikova, E. N.; Kozlovskaya, K. A.; Targonskii, A. V.; Pisarevsky, Yu. V.; Shishkov, V. A.; Mololkin, A. A. & Kovalchuk, M. V.
  
• Electronic structure of the homologous series of Ruddlesden–Popper phases SrO(SrTiO3) n , (n = 0–3, ∞). Zeitschrift für Kristallographie - Crystalline Materials, 237(4-5), 201-214.
  Ludt, Christian & Zschornak, Matthias
  
• Electronic structure of the homologous series of Ruddlesden–Popper phases SrO(SrTiO3) n , (n = 0–3, ∞). Zeitschrift für Kristallographie - Crystalline Materials, 237(4-5), 201-214.
  Ludt, Christian & Zschornak, Matthias
  
• Phase transitions induced by electric fields and standing acoustic waves, ZeHS Promovierenden Forum, Zentrum für effiziente Hochtemperatur-Stoffwandlung, Freiberg, 19. Mai 2022, Vortrag
  C.Ludt
  
• Possibility of Controlled Variation of the Atomic Crystal Structure of Paratellurite by Means of the Excitation of an Ultrasonic Standing Wave. JETP Letters, 115(8), 456-460.
  Eliovich, Ya. A.; Ovchinnikova, E. N.; Kozlovskaya, K. A.; Zschornak, M.; Weigel, T.; Ludt, C.; Blagov, A. E.; Dmitrienko, V. E.; Pisarevskii, Yu. V. & Koval’chuk, M. V.
  
• Quantum transport and microwave scattering on fractal lattices. Zeitschrift für Kristallographie - Crystalline Materials, 237(4-5), 179-190.
  Subramaniam, Krishnasamy; Zschornak, Matthias & Gemming, Sibylle
  
• Resonante Röntgendiffraktionsmethoden zur Kristallstrukturbestimmung mit Auflösung im Sub-pm-Bereich, Lecture Series, Center for Efficient High Temperature Materials Conversion (ZeHS), TU BA Freiberg, Germany, 19th May 2022, Invited Talk
  M. Zschornak
  
• The crystal structure of single crystalline PrCa4O[BO3]3, 29. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Kristallographie, München, 14.–17. März 2022, Poster
  T. Weigel, J. Hanzig & E. Mehner
  
• The crystal structure of single crystalline PrCa4O[BO3]3. Zeitschrift für Kristallographie - Crystalline Materials, 237(4-5), 159-166.
  Weigel, Tina; Hanzig, Juliane & Mehner, Erik
  
• The Use of Circularly Polarized Synchrotron Radiation in Diffraction and Spectral Studies of Noncentrosymmetric Crystals. Crystallography Reports, 67(6), 820-825.
  Ovchinnikova, E. N.; Kozlovskaya, K. A.; Dmitrienko, V. E. & Oreshko, A. P.
  
• Chemical environment and occupation sites of hydrogen in LiMO3. Journal of Materials Chemistry C, 11(2), 520-538.
  Köhler, Thomas; Zschornak, Matthias; Röder, Christian; Hanzig, Juliane; Gärtner, Günter; Leisegang, Tilmann; Mehner, Erik; Stöcker, Hartmut & Meyer, Dirk C.
  
• Crystal Structure of Gd(Ca3.319Sr0.681)O[BO3]3 and Gd(Ca2.592Sr1.408)O[BO3]3. Crystal Research and Technology, 58(5).
  Weigel, Tina; Mehner, Erik; Stöcker, Hartmut; Meyer, Dirk C.; Götze, Jens & Hanzig, Juliane