Straintronics mit van der Waals Ferroelektrika

• Antragstellerin: Dr. Emeline Nysten
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 535379969

Ferroelektrizität ist ein fundamentales Phänomen in der Festkörperphysik und ferroelektrische Bauelemente sind für viele Anwendungen unverzichtbar. Werden zweidimensionale Halbleiter in van der Waals- Homo- und Heterostrukturen (vdW) gestapelt, so entsteht Ferroelektrizität an der Grenzfläche für wohldefinierte Verdrillungswinkel zwischen den gestapelten Schichten. Diese sogenannte Grenzflächenferroelektrizität wird durch Brechen der Inversionssymmetrie zwischen den beiden Schichten hervorgerufen, was zu einem Ladungstransfer zwischen den Schichten führt. Dieser Transfer erzeugt wiederum ein starkes spontanes elektrisches Dipolmoment senkrecht zu den gestapelten Schichten, welches sich durch ein charakteristisches ferroelektrisches Domänenmuster manifestiert. Das übergeordnete Ziel dieses Projekts besteht in der Untersuchung und Kontrolle der Grenzflächenferroelektrizität in halbleitenden vdW-Strukturen durch eine Kombination aus statischen elektrischen Feldern und dynamischer mechanischer Verzerrung. Die dynamische mechanischer Verzerrung wird in Form von akustischen Oberflächenwellen (OFWs) mit Frequenzen bis zu einigen Gigahertz erzeugt. In diesem Projekt werden wir Simulationsmethoden und Nanofabrikationstechnologie entwickeln, die uns in die Lage versetzen, die avisierten hybriden vdW-OFW-Bauelemente herzustellen. Mit diesen Bauelementen verfolgen wir zwei Hauptforschungsrichtungen: 1) Zunächst werden nicht-ferroelektrische (H-Stapelfolge) elektrisch kontaktierte vdW-Doppelschichtbauelemente auf piezoelektischen SAW-Chips hergestellt. In diesen vdW-Doppelschichten bilden sich intralagen und interlagen Exzitonen, die elegant durch eine Gatterspannung abgestimmt werden können. Die mit dieser Methode erzeugten Exzitonen werden in programmierbaren akustischen Potentialen, die durch Überlagerung von OFWs erzeugt werden, dynamisch gesteuert und mithilfe zeit- und ortsaufgelöster optischer Spektroskopie ausgelesen. 2) Des Weiteren werden wir ferroelektrische (R-Stapelfolge) elektrisch kontaktierte vdW-Doppelschichtbauelemente auf LiNbO3- und LiTaO3-SAW-Chips hergestellt. Diese beiden Substrate ermöglichen die Erzeugung dynamischer mechanischer Normal- und Scherverzerrung für Rayleigh- und Scherhorizontal (SH) OFWs. Die ferroelektrische Polarisation, Domänenstruktur und Hysterese wird durch dynamische Normal- und Schersverzerrung kontrolliert durch optische als elektrische Spektroskopie nachgewiesen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2244: 2D Materialien – die Physik von van der Waals [Hetero-]Strukturen (2DMP)
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Hubert Johannes Krenner