Kontrolle der Materialeigenschaften auf Nanometerskala durch Design lokaler Defekte

• Antragsteller: Dr. Donald Malcolm Evans
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2021 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 468617440

Die wachsende Nachfrage nach energieeffizienten Technologien im Bereich Kommunikation und Datenverarbeitung treibt die Entwicklung von neuen Forschungsansätzen in der Materialwissenschaft, vor allem im Bereich energieeffizienten Nanostrukturen, voran. Eine etablierte Methode zur Kontrolle von hierfür notwendigen elektronischen und magnetischen Eigenschaften, ist die ex-situ Kontrolle von Defekten, wie z.B. durch Dotieren. Dies wird mit großem Erfolg in der Halbleiterindustrie angewendet, vor allem die p- und n-Dotierung zur Herstellung von Transistoren, ein wesentlicher Baustein für moderne Computertechnologien. So erfolgreich solche etablierten Ansätze auch sind, sie sind typischerweise ex-situ und weisen häufig Einschränkungen hinsichtlich der Darstellung von Strukturen im atomaren Maßstab, z. B. bedingt durch die Beugungsgrenze bei der Lithographie, auf.Dieses Forschungsprojekt begegnet dieser Herausforderungen folgendermaßen: i) in-situ-Kontrolle von Materialeigenschaften auf atomarer Ebene; ii) Verwenden dieser in-situ-Methodik, um neuartige „begrenzte“ Zustände mit einzigartigen Funktionalitäten zu erzeugen. Diese Ziele werden erreicht, in dem elektrische Felder mittels leitfähiger Rasterkraftmikroskopie angelegt werden, um die Defektstruktur und entsprechend die lokalen Valenzzustände zu verändern. Zwei prototypische Systeme werden hierfür verwendet, um zu zeigen, dass solche Änderungen unabhängig von der Materialzusammensetzung oder -symmetrie erzielt werden können. Die spezifischen Materialien sind lacunare Spinelle und hexagonale Manganate; beide Systeme zeigen eine breite Vielfalt an faszinierenden elektronischen und magnetischen Domänen und Domänenwänden, die als quasi-intrinsischen Grenzfläche als Leiterbahn, Schaltelement oder Transistor funktionalisiert werden könnten. Durch die lokale Veränderung des Valenzzustandes (ein elektrisches Feld induziert Defekte) können Änderungen der Symmetrien und Strukturen hervorgerufen werden, was zu einer Modifikation des lokalen elektronischen und magnetischen Verhaltens der Kristalle in und an den Domänen führt. All dies soll es ermöglichen, neuartige Zustände, Eigenschaften und Phänomene in-situ in Materialien mit räumlicher Präzision auf atomarer Ebene zu schreiben. Die Etablierung dieses neuen Ansatzes ermöglicht Materialdesign hinsichtlich elektronischer und magnetischer Eigenschaften mit Nanometerauflösung. Dies stellt einen möglichen neuen Ausgangspunkt für die nächste Generation energieeffizienter elektronischer Systeme dar.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen