Zweidimensionale Ferroelektrika

• Antragsteller: Professor Dr. Carsten Busse
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 495846840

Zweidimensionale Ferroelektrika zeigen nicht nur faszinierende grundlegende Eigenschaften, sondern sind auch vielversprechend für Anwendungen. In Analogie zu Ferromagneten besitzen Ferroelektrika eine elektrische Polarisation, die durch ein externes elektrisches Feld um-orientiert werden kann. Die reduzierte Dimensionalität in ultradünnen Schichten sowie gegen-läufige Wechselwirkungen zwischen den Lagen in Van-der-Waals-Stapeln verursachen hier neuartige Effekte.In dünnen Schichten herkömmlicher Ferroelektrika nimmt die kritische Temperatur TC mit abnehmender Schichtdicke ab und erreicht schnell Werte, die für Anwendungen nicht praktikabel sind. Im Gegensatz dazu zeigen zweidimensionale Gruppe-IV Monochalkogenide sehr stabile Ferroelektrizität. Diese Materialien der Form MX (M=Ge, Sn; X=S, Se, Te) stehen im Zentrum dieses Projekts. In diesen Systemen wird die Ferroelektrizität durch die fehlende Inversionssymmetrie in der gewinkelten Kristallstruktur in Kombination mit dem ionischen Charakter der Bindungen verursacht. Wir stellen unsere Proben über epitaktisches Wachstum unter genau kontrollierten Bedingungen (wohldefinierte Substrate, UHV) als quasi-freistehende Mono- und Multilagen her. Unsere Hauptuntersuchungsmethoden sind Rastertunnelmikroskopie (STM) und -spektroskopie (STS). Wir untersuchen das Schaltverhalten nach Anlegen eines radialen elektrischen Feldes über die STM-Spitze sowie Ausübung von lokalem vertikalem Druck durch eine AFM-Spitze, wodurch unter Ausnutzung des auxetischen Verhaltens von MX eine Kontraktion in der Ebene hervorgerufen wird, die das System zum Phasenübergang treibt. Da die MX zusätzlich ferro-elastisch sind, können sie prinzipiell zwischen zwei um 90° gedrehten Strukturen hin- und herschalten.Die Wechselwirkung benachbarter Lagen in Van-der-Waals-Stapeln bestimmt die ferroeletrischen Eigenschaften: Die Dipole in der Schicht bevorzugen eine antiferroelektrische Ausrichtung (AB-Stapelung), während die lokalen ionischen und kovalenten Bindungen eine ferroelektrische Ausrichtung präferieren (AA-Stapelung). Die entsprechenden Bindungsenergien haben unterschiedliche Abhängigkeiten von der Zahl der Lagen, damit kann die bevorzugte Kopplung mit der Schichtdicke variieren. Im Beispiel GeSe ist die günstigste Stapelung der Bilage AA, während der Volumenkristall eine AB-Stapelung zeigt. Wir werden dieses Wech-selspiel der lokalen und nicht-lokalen Kopplung für verschiedene MX (GeSe, GeS, SnSe, SnS) untersuchen und damit die Rolle der einzelnen Bausteine ermitteln. In Bilagen kann ein Schalten der Polarisation zu einer Moiré-Struktur zwischen ferroelektrischen Lagen führen, was ein bisher unerforschtes Gebiet eröffnet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen