Die Experimentalphysiker Prof. Dr. Michael Lorenz und Prof. Dr. Marius Grundmann vom Institut für Experimentelle Physik II nutzen dazu ein neuartiges Konzept, bei dem extrem dünne, nur wenige Atomlagen dicke Schichten aus einem multiferroischen und einem ferroelektrischen Stoff abwechselnd übereinander gestapelt werden. Beide Materialien sind Oxide, und die periodische Schichtstapelstruktur heißt Übergitter. Hergestellt werden diese Schichtstapel mit der Methode der "gepulsten Laser-Plasmaabscheidung", bei der die beiden Oxidmaterialien abwechselnd mit einem hochleistungsfähigen Laser im Vakuum genau dosiert verdampft werden und sich dann kontrolliert Atomlage für Atomlage auf der Probe niederschlagen.
Es hat sich bei der Untersuchung der Leipziger Proben gezeigt, dass die erwünschte "magneto-elektrische" Kopplung zwischen Magnetismus und Elektrizität in diesen Übergittern besonders hoch ist, wenn die Anordnung der Atome an den Übergängen zwischen beiden Oxidmaterialien besonders gleichmäßig und geordnet ist. "Die Übergitter zeigen deutlich bessere Eigenschaften als jegliche unstrukturierte Volumenmaterialien, über die bisher berichtet wurde. Die magnetoelektrische Kopplung unserer oxidischen Verbundfilme liegt im internationalen Spitzenfeld", sagt Prof. Lorenz.
Prof. Grundmann erläutert: "Unsere Übergitter bestätigen die konzeptionelle Idee des Sonderforschungsbereiches 762, in dem diese Arbeit gefördert wird, nämlich dass Oxid-Materialien mit Grenzflächen neue und verbesserte Eigenschaften haben. Unsere Arbeiten machen magnetische Materialien mit der Mikroelektronik kompatibel." Die beiden Physiker kooperieren dabei mit der Katholischen Universität in Löwen (Leuven) in Belgien. Die Leipziger Schichtstapel werden dort bezüglich des magneto-elektrischen Anwendungseffektes im Detail charakterisiert.
Gefördert werden die Arbeiten der Leipziger Physiker von der Deutschen Forschungsgemeinschaft im Sonderforschungsbereich SFB 762 unter dem Dachthema "Funktionalität oxidischer Grenzflächen". Der SFB wird für weitere vier Jahre bis 2019 gefördert. In den kommenden Monaten wollen Lorenz und Grundmann den physikalischen Kopplungseffekt zwischen magnetischen und elektrischen Feldern noch weiter erforschen, sodass bald erste "magneto-elektrische" Speicherdemonstratoren vorgestellt werden können.
Fachveröffentlichung:
Epitaxial Coherence at Interfaces as Origin of High Magnetoelectric Coupling in Multiferroic BaTiO3-BiFeO3 Superlattices, in Advanced Materials Interfaces
doi: 10.1002/admi.201500822