Ein neuartiger Ansatz zur Synthese intrinsischer, ferrimagnetischer Multiferroika mit einer Ordnungstemperatur oberhalb Raumtemperatur durch gezielte Nutzung von uneigentlicher Ferroelektrizität und Ladungstransfer

• Antragstellerin: Professorin Jasnamol Pezhumkattil Palakkal, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 429646908

Multiferroische Materialien mit ferroelektrischer und magnetischer Polarisation sind aufgrund der konfligierenden strukturellen und elektronischen Voraussetzungen von Magnetismus und Ferroelektrizität selten. Neben dem Grundlageninteresse an solchen Materialien haben Multiferroika auch ein großes Anwendungspotential. Ein anwendbares Multiferroikum mit Ordnungstemperatur oberhalb von Raumtemperatur ist derzeit nicht verfügbar. Um ein solches Multiferroikum zu synthetisieren, schlagen wir einen neuartigen Ansatz vor, der sogenannte uneigentliche Ferroelektrizität und Ladungstransfer in einem ferrimagnetischen Doppelperowskit mit hoher magnetischer Übergangstemperatur nutzt.In Perowskiten (ABO3, A: Erdalkali- oder Seltenerdelement; R: Übergangsmetall), kann über den A-Platz Ferroelektrizität und über den B-Platz magnetische Ordnung induziert werden. Der Prototyp hierfür ist BiFeO3, das allerdings nur eine niedrige Magnetisierung aufgrund seines verkippten Antiferromagnetismus aufweist. Auch die notorische Instabilität von Bi-Verbindungen ein Hindernis für die Anwendung. Doppelperowskite (A2BB′O6) mit zwei verschiedenen Übergangsmetallionen auf dem B-Platz weisen unter anderem auch Ferrimagnetismus mit hohen Übergangstemperaturen auf. Sogenannte uneigentliche Ferroelektrizität bezeichnet einen Zustand, in dem durch ein geeignetes Verformungsmuster in einem Material eine ferroelektrische Polarisation erzeugt wird. Durch atomare Schichtung zweier nicht-polarer magnetischer Materialien in einer Dünnschicht-Heterostruktur kann eine solche uneigentliche Ferroelektrizität induziert werden, wodurch ein Multiferroikum neuen Typs entsteht. In Teil 1 des Projekts sollen Polykristalle und dünne Schichten des neuentdeckten Doppelperowskit-Systems R2FeReO6 mit einer Ordnungstemperatur von 730 K und einer hohen Raumtemperatur-Magnetisierung von 1,7 µB/f.u. für R = La, untersucht werden. In Teil 2 sollen La2FeReO6/R2FeReO6 Dünnschicht-Übergitter hergestellt und charakterisiert werden. Diese bestehen aus alternierenden atomaren Lagen von La2FeReO6 und R2FeReO6, wobei R eine seltene Erde, aber nicht La ist. Die so entstehende A-Platz-Ordnung erzeugt antipolare Verschiebungen der La- und R-Ionen, wodurch eine beträchtliche ferroelektrische Polarisation erzeugt wird. Der erwartete Ladungstransfer vom Re-Ion zum Fe-Ion wird eine signifikante Ladungsdifferenz zwischen den beiden B-Plätzen erzeugen, wodurch wiederum ein hoher Grad an B-Platzordnung begünstigt wird. Wir verwenden hochmoderne gepulste Laserdeposition, um die künstlich geschichteten A- und B-Platz geordneten LaRFeReO6 Doppelperowskite als Multiferroika mit einer Ordnungstemperatur deutlich oberhalb von Raumtemperatur zu synthetisieren. Durch das Substrat induzierte epitaktische Verspannung und chemische Verspannung durch Substitution von seltenen Erden R mit unterschiedlichen Ionenradien können zusätzliche Freiheitsgrade manipuliert werden, um die multiferroischen Parameter einzustellen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Professor Dr. Oliver Clemens; Professorin Dr. Ulrike Ingrid Kramm; Professor Leopoldo Molina-Luna; Dr. Andrei Rogalev; Professor Hongbin Zhang, Ph.D.