Maßgeschneiderte Domänenstrukturen in ferroelektrischen Heterostrukturen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Lukas M. Eng; Professorin Dr. Christine Silberhorn
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 426703838

Der vorliegende Antrag beschreibt ein Teilprojekt der Forschungsgruppe „Periodische niedrigdimensionale Defektstrukturen in polaren Oxiden“, die sich der Korrelation von Defektstruktur, Elektronen- und Ionentransport sowie elektromechanischen Eigenschaften in ferroelektrischen Mischkristallen anhand des Modellsystems Lithiumniobat-Lithiumtantalat widmet. Dieses Teilprojekt beschäftigt sich mit der Untersuchung und Herstellung von optischen Wellenleiterstrukturen und von neuartigen ferroelektrischen Heterostrukturen mittels Festköperbondings, sowie dem Maßschneidern von Domänenstrukturen in solchen Systemen. Heterostrukturen und deren Grenzflächen, wie z.B. in (epitaktische) Schichtstrukturen, spielen in der Halbleitertechnologie eine zentrale Rolle, um spezielle Eigenschaften, wie 2D Elektronengase, PN-Übergänge oder opto-elektronische Eigenschaften maßzuschneidern. In ferroelektrischen Materialien, wie sie häufig in der Optik oder Piezotechnologie verwendet werden, spielen solche Heterosysteme bisher jedoch keine Rolle. Hier liegt der Fokus in der Herstellung besonders homogener oder defektfreier Kristalle, während das Maßschneidern der Eigenschaften über physiklaische Strukturierung oder die Kontrolle der Domänenstrukturen erfolgt. Im Gegensatz dazu plant dieses Projekt die Herstellung von ferroelektrischen Heterostrukturen mittels Festkörperbondings. Heterostrukturen, bspw. beliebige Stapel aus Lithiumniobat und Lithiumtantalat (auch verschiedener Schnitte), würden hier einerseits das Maßschneidern makroskopischer Eigenschaften im Sinne eines effektiven Mediums ermöglichen, welches insbesondere großes Anwendungspotential für die integrierte (Quanten-)optik bietet. Andererseits erlauben Heterostrukturen aus einkristallinen Ferroelektrika, wie Lithiumniobat-Tantalat, das Maßschneidern von Grenzflächen und deren elektronischer Eigenschaften, wie sie bisher nicht realisierbar sind. Lithiumniobat und Lithiumtantalat zeichnen sich beispielsweise durch eine unterschiedliche spontane Polarisation aus. Eine Grenzfläche entlang der Polarisationsrichtung würde daher selbst bei gleicher Domänenausrichtung zu Ausbildung einer Raumladungszone basierend auf der Differenz der Screening-Ladungsträger führen. In Kombination mit Domänenstrukturen, sowie unter Berücksichtigung der Materialeigenschaften, wie elektronischen Bandlücken, Defektniveaus oder Polaronen, eröffnet sich das Potential bisher nicht realisierbare Bauteile, wie PN-Übergänge durch die Verbindung von leitfähigen Domänenwände in unterschiedlichen Wirtssystemen, ermöglichen. Die Präparation solcher Grenzflächen und Heterosysteme in Ferroelektrika hat daher ein großes Potential für die Elektronik, Optik oder Piezotronik.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 5044: Periodische niedrigdimensionale Defektstrukturen in polaren Oxiden
• Mitverantwortliche: Dr. Christof Eigner; Dr. Michael Ruesing