In-situ Untersuchung der Wachstumskinetik von mittels gepulster Laserdeposition beschichteter, magnetoelektrischer Oxidschichtsysteme und deren Einfluss auf die Eigenschaften der magnetoelektrischen Kopplung

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Tilo Baumbach; Professorin Dr. Dagmar Gerthsen, seit 1/2023
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 412136875

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Ziel des Projektes war es, ein grundlegendes Verständnis für das Kristallwachstum multiferroischer Oxidschichten bei deren Abscheidung durch gepulste Laserdeposition (PLD) zu erlangen, um optimale Wachstumsparameter für die Herstellung derartiger Materialsysteme mit jeweilig spezifisch gewünschten multiferroischen Eigenschaften herauszufinden und die Schichten für ausgewählte Anwendungen maßschneidern zu können. Aus diesem Grund wurde die strukturelle Beschaffenheit unterschiedlicher oxydischer Filme in Abhängigkeit von den Wachstumsparametern experimentell bestimmt und deren Einfluss auf die magnetischen und ferroelektrischen Schichteigenschaften untersucht. Die Hauptaufgabe des Projektes bestand darin, die Entwicklung der kristallinen Struktur der zu untersuchenden Multiferroika und deren Grenzflächen zum Substrat bzw. darauffolgenden Schichten während des Wachstums in-situ zu verfolgen, indem modernste in-situ-Röntgenstreumethoden für Synchrotronstrahlung, insbesondere Röntgenbeugung (XRD), eingesetzt wurden. Zudem wurden die experimentellen XRD-Daten mit numerischen Simulationen verglichen, so dass Aussagen zum Schichtwachstum wie z.B. die laterale und vertikale Größe von Inseln, die Oberflächenbedeckung und das Zusammenwachsen der Inseln bei der Schichtbildung bestimmt werden konnten. Im Hinblick auf die letztgenannten Punkte profitierte das Projekt vom Fachwissen der Prager Gruppe in der Theorie der Röntgenstreuung und deren Anwendung auf die Modellierung des Kristallwachstums und verwandter Phänomene. Eine umfassende Charakterisierung von Struktur und Mikrochemie der gewachsenen Schichten war jedoch nur durch deren anschließende ex-situ-Untersuchung mit Hilfe der Rastersondenmikroskopie und verschiedenen Techniken der Raster- und Transmissionselektronenmikroskopie möglich. Die Kombination dieser ex-situ-Charakterisierungsmethoden mit in-situ-XRD und die Korrelation der auf diese Weise erhaltenen Befunde mit elektrischen und magnetischen Messungen gestatteten eine umfassende Beschreibung der PLD-gewachsenen multiferroischen Schichten. Die untersuchten Systeme umfassen sowohl homogene ferroelektrische bzw. ferromagnetische Systeme wie Ba0.5Sr0.5TiO3 (BSTO) auf MgO-Substrat, LuFeO3 (LFO) mit und ohne Platin-Zwischenschicht auf Saphir, BaFe12O19 (BaM) auf Y-dotiertem ZrO2 (YSZ) sowie multiferroische Sandwich-Schichten von YbFeO3 (YbFO) und BaFe12O19 (BaM), jeweils auf YSZ abgeschieden. Bei der Abscheidung von dünnen Pt-Zwischenschichten, die zur Kontaktierung der multiferroischen Materialsysteme bei elektrischen Messungen notwendig sind, wurden störende Phänomene wie z.B. Entnetzen und Inselbildung festgestellt. Aus diesem Grund wurde das PLD-Wachstum reiner Platin-Schichten für unterschiedliche Schichtdicken auch detailliert untersucht, um optimale Parameter zur Ausbildung durchgängiger Kontaktschichten zu bestimmen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Structure Quality of LuFeO3 Epitaxial Layers Grown by Pulsed-Laser Deposition on Sapphire/Pt. Materials, 13(1), 61.
  Bauer, Sondes; Rodrigues, Adriana; Horák, Lukáš; Jin, Xiaowei; Schneider, Reinhard; Baumbach, Tilo & Holý, Václav
  
• Combined In Situ XRD and Ex Situ TEM Studies of Thin Ba0.5Sr0.5TiO3 Films Grown by PLD on MgO. Crystal Research and Technology, 55(9).
  Bauer, Sondes; Rodrigues, Adriana; Jin, Xiaowei; Schneider, Reinhard; Müller, Erich; Gerthsen, Dagmar & Baumbach, Tilo
  
• In situ grazing-incidence x-ray scattering study of pulsed-laser deposition of Pt layers. Physical Review B, 102(12).
  Holý, V.; Bauer, S.; Rodrigues, A.; Horák, L.; Jin, X.; Schneider, R. & Baumbach, T.
  
• Analytical TEM study of thin PLD-grown LuFeO3 layers on Pt/sapphire substrates, poster presentation at the Microscopy Conference 2021 (MC2021) in Regensburg, August 22 to 26, 2021, proceedings MS8.P030, p. 289-290
  X. Jin; B. Nergis; A. Rodrigues; S. Bauer; L. Horák; T. Baumbach; V. Holý & R. Schneider
  
• Time-Resolved Morphology and Kinetic Studies of Pulsed Laser Deposition-Grown Pt Layers on Sapphire at Different Growth Temperatures by in Situ Grazing Incidence Small-Angle X-ray Scattering. Langmuir, 37(2), 734-749.
  Bauer, Sondes; Rodrigues, Adriana; Horák, Lukáš; Nergis, Berkin; Jin, Xiaowei; Schneider, Reinhard; Gröger, Roland; Baumbach, Tilo & Holý, Václav
  
• Effect of the laser fluence on the microstructure and the relating magnetic properties of BaFe12O19 films grown on YSZ(111) by PLD for optimized perpendicular recording, MML Materials Workshop: Energy, Engineering & Functional Materials in Julich, April 20 to 21, 2023
  B. Nergis; S. Bauer; X. Jin; K. Seemann; L. Horak; R. Schneider; V. Holy; S. Ulrich & T. Baumbach
  
• Effect of Underlayer Quality on Microstructure, Stoichiometry, and Magnetic Properties of Hexaferrite BaFe12O19 Grown on YSZ(111) by Pulsed Laser Deposition. Langmuir, 39(40), 14308-14327.
  Bauer, Sondes; Nergis, Berkin; Jin, Xiaowei; Schneider, Reinhard; Wang, Di; Kübel, Christian; Holy, Vaclav; Horak, Lukas; Seemann, Klaus; Ulrich, Sven & Baumbach, Tilo