Nano-twist: Verdrehte epitaktische Perowskit Heterostrukturen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Jens Martin; Dr. Jutta Schwarzkopf
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 461735383

Der gezielte Einbau von Gitterverspannungen in Perowskiten hat sich als erfolgreiche Methode entwickelt um funktionale Eigenschaften wie Ferroelektrizität einzustellen. Üblicherweise wird dies durch Wachstum ferroelektrischer Schichten auf Substraten mit Gitterfehlanpassung erzielt. Die dadurch erzeugte Verspannung beeinflusst die Kristallsymmetrie, Domänenbildung und funktionalen Eigenschaften von Perowskiten. Alternativ können Verspannungsgradienten ausgenutzt werden, die flexoelektrische Effekte induzieren und insbesondere auf der Nanometer Skala präsent sind.Ferroelektrika sind von fundamentalem Interesse und Treiber von Innovationen, aber die Kontrolle spezifischer Phasen, und die Stabilisierung bestimmter Domänenstrukturen sind wesentlich für deren Ausnutzung. Verspannte Perowskit-Heterostrukturen bieten vielfältige Manipulationsmöglichkeiten für Domänenbildung und Phasenübergänge, und eröffnen Möglichkeiten schon vorhandene Materialeigenschaften zu verbessern, oder gar neue Funktionalität zu erschaffen. Durch die fortlaufende Miniaturisierung in Anwendungen werden nicht nur ultradünne Filme mit hoher kristalliner Perfektion benötigt, sondern auch die Manipulation funktionaler Filme auf der Nanometerskala.Defekte können für die Erzeugung lokaler Verspannungsgradienten genutzt werden, da jeder Defekt mit Gitterverspannungen einhergeht. Wegen der Bedeutung für die ferroelektrische Domänenbildung und Phasenübergängen sind wir besonders an Defekten interessiert, welche Scherdehnung erzeugen. Dies trifft für Schraubenversetzungen zu. Ein Netzwerk von Schraubenversetzungen lässt sich nicht durch traditionelle Wachstumsmethoden erzeugen, allerdings treten solche Versetzungsnetzwerke an verdrehten Korngrenzen mit semi-kohärenten Grenzflächen auf, wobei gitterangepasste Regionen durch Versetzungen getrennt sind und so ein 2D-Versetzungsnetzwerk bilden. Künstliche Korngrenzen lassen sich mit Volumenkristallen mittels „Wafer-Bonding“ erzeugen. Jedoch erhält man damit keine ultradünnen Schichten, die notwendig sind um die funktionalen Eigenschaften der Verspannungsgradienten und Versetzungen auszunutzen.In diesem Projekt werden wir „Layer-Transfer“ von dünnen epitaktischen Filmen nutzen, um Korngrenzen mit kleinen Verdrehwinkeln in ferro- und dielektrischen Perowskiten herzustellen. Die wichtigsten wissenschaftlichen Fragestellungen betreffen den Formationsprozess der Schraubenversetzungen in diesem Materialsystem, die Bestimmung der detaillierten atomaren Struktur innerhalb des Verspannungsfeldes, sowie dessen Auswirkung auf die Domänenausbildung in verdrehten Perowskiten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen