Farbig schimmernde ferroelektrische Domänen

Dresdner Forscher erzeugten mithilfe des Freie-Elektronen-Lasers am Rossendorfer Beschleuniger ELBE einmalige Bilder von ferroelektrischen Domänen.

Ferromagnetische Materialien wie Eisen kennt jeder, ferroelektrische Materialien dagegen sind nur Spezialisten vertraut. Die Besonderheit: diese Materialien besitzen dauerhafte elektrische Felder und haben deshalb für die Speichertechnologie und die Piezoelektronik enorm große Bedeutung. Die Rolle von Nord- und Südpol bei einem Magneten nehmen hier positive und negative elektrische Ladungen ein, die sich in winzigkleinen Bezirken, den Domänen, organisieren. Dresdner Forscher erzeugten mithilfe des Freie-Elektronen-Lasers am Rossendorfer Beschleuniger ELBE einmalige Bilder von ferroelektrischen Domänen. Die Ergebnisse wurden jetzt in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ veröffentlicht.

Die Forschergruppe um Lukas M. Eng, Professor an der TU Dresden, interessiert sich für das Verhalten von elektrischen Dipolen in ferroelektrischen und ähnlichen Materialien. Ferroelektrika sind spezielle Kristalle wie etwa Bariumtitanat, in denen die Atome auf besondere Art und Weise angeordnet sind. Die positiv geladenen Titan-Ionen verschieben sich im Kristallgitter relativ zu den anderen Atomen, sodass es zu einer Polarisation und damit zu einem dauerhaften elektrischen Feld kommt. Das Material hat folglich einen elektrischen Dipol, der sich durch das Anlegen eines äußeren Feldes (z. B. durch eine elektrische oder mechanische Spannung) gezielt umpolen lässt. Diese und verwandte Materialeigenschaften finden heute vielseitige Anwendungen, z. B in der Sensorik (piezoelektrische Technologie, Infrarotsensorik), werden aber auch beim „Ferroelectric Random Access Memory“ (FRAM oder FeRAM) genutzt, einem nichtflüchtigen elektronischen Speichertyp der Zukunft.

Analog zum Ferromagnetismus richten sich die elektrischen Dipole parallel zueinander in kleinsten Bezirken, den Domänen, aus. Beim untersuchten Kristall ist eine Domäne nur rund ein bis zehn Mikrometer groß. Um die elektrischen Ladungen in den Domänen für technologische Anwendungen gezielt manipulieren zu können, müssen diese zunächst einmal sichtbar gemacht werden. Die Dresdner Wissenschaftler setzen dafür auf eine neue Variante der Mikroskopie, die so genannte optische Nahfeld-Mikroskopie. Hier wird nicht das Objekt als Ganzes abgebildet, sondern es werden nacheinander winzige Ausschnitte betrachtet und diese danach mithilfe eines Computers zu einem Gesamtbild zusammengesetzt. Das erreicht man, indem man einen Objektausschnitt durch eine sehr kleine Öffnung mit einem feinen Lichtstrahl aus einer sehr kurzen Entfernung beleuchtet. Trifft man dabei die richtige Wellenlänge des Lichts, so schimmern die unterschiedlichen Domänen – für das menschliche Auge unsichtbar – in leicht unterschiedlichen Farben.

Abb. 1: Falschfarbendarstellung der elektrischen Domänen an der Oberfläche eines Bariumtitanat-Kristalls. Das Bild wurde bei einer Wellenlänge von 17,2 Mikrometer gemessen. Rot bedeutet ein großes Messsignal. Man sieht deutlich die Farbänderung von rot zu blau bei Änderung der Wellenlänge, entsprechend den unterschiedlichen Resonanzbedingungen. (Quelle: S. Kehr, TU Dresden)

Im Experiment wird ein unsichtbarer Laserstrahl auf eine ultrascharfe Nadel – die Spitze eines Rasterkraftmikroskops – gelenkt, und diese wiederum rastert den Kristall Punkt für Punkt ab. Die Spitze, an der das Licht gestreut wird, übernimmt hier die Rolle eines Lichtkonzentrators. Damit ist die optische Auflösung alleine durch die Spitze beschränkt und erreicht ca. 100 Nanometer. Die Infrarotnahfeld-Mikroskopie erreicht so eine sagenhafte Auflösung, die um den Faktor 100 besser ist als die Wellenlänge des eingesetzten Laserlichts, womit eine physikalische Grenze von normalen optischen Mikroskopen durchbrochen wird.

Als Lichtquelle kam der Freie-Elektronen-Laser im Forschungszentrum Dresden-Rossendorf zum Einsatz. Dieser Laser erzeugt brillantes Licht in einem weiten Spektrum vom infraroten bis in den fernen infraroten Bereich, der auch Terahertz-Strahlung genannt wird. In diesem Bereich existieren weltweit nur wenige Laserquellen. Das Besondere an diesem Laser ist dessen Durchstimmbarkeit, d. h. die Wellenlänge – und damit die Farbe des Lichts – ist frei einstellbar. Die Forscher wählten eine Wellenlänge, deren dazugehörige Frequenz mit der Bewegung der Atome im Bariumtitanat-Kristall gut übereinstimmt (deren Eigenfrequenz entspricht einer Wellenlänge von ungefähr 17 Mikrometer). Folglich kommt es zur Resonanz, einer physikalischen Erscheinung, die man auch im täglichen Leben beobachten kann, z. B. wenn im fahrenden Auto ein drehzahlabhängiges Geräusch auftritt.

Abb. 2: Falschfarbendarstellung der elektrischen Domänen an der Oberfläche eines Bariumtitanat-Kristalls. Das Bild wurde bei einer Wellenlänge von 16,7 Mikrometer gemessen. (Quelle: S. Kehr, TU Dresden)

Die ferroelektrischen Domänen unterscheiden sich zueinander lediglich in der Ausrichtung der elektrischen Felder innerhalb der Domänen. Die Gruppe von Lukas Eng fand heraus, dass sich die Wechselwirkung von infrarotem Licht mit dem Kristall abhängig von den Domänen ändert. Die Domänen zeigen also im Infrarotlicht jeweils spezifische Resonanzfrequenzen. Die Resonanzfrequenz von Bariumtitanat liegt, abhängig von der elektrischen Polarisation, entweder bei einer Wellenlänge von 16,7 (senkrecht zur Oberfläche orientiert) oder von 17,2 Mikrometer (in der Ebene orientiert). Die Nahfeld-Mikroskopie macht diese Unterschiede sichtbar und erzeugt so kontrastreiche Aufnahmen der elektrischen Dipolverteilung in einem Kristall, die weltweit bisher einmalig sind.

Die Ergebnisse unterstreichen das große Potential von Freie-Elektronen-Lasern auf dem Gebiet der Nahfeld-Mikroskopie. Dabei profitiert die Festkörperforschung besonders von der Intensität dieser Laser in Kombination mit ihrer Durchstimmbarkeit. Die Dresdner Forscher wollen nun dank der Förderung durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) ihre Untersuchungen ausdehnen auf neue Materialklassen wie etwa die so genannten Multi-Ferroika, aber auch auf Biomoleküle und Halbleiter-Nanostrukturen. Gerade für letztere erwarten sie weitere spektakuläre Ergebnisse, beispielsweise über vergrabene Dotierprofile in Halbleiter-Wafern.

Quelle: FZD

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  S.C. Kehr, M. Cebula, O. Mieth, T. Härtling, J Seidel, S. Grafström, L.M. Eng, S. Winnerl, D. Stehr, M. Helm, Anisotropy contrast in phonon-enhanced apertureless near-field microscopy using a free-electron laser, Physical Review Letters 100, 256403 (2008).
  http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.100.256403
• Technische Universität Dresden, Institut für Angewandte Physik
  http://www.iapp.de
• Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD):
  http://www.fzd.de
• Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung am FZD:
  http://www.fzd.de/FWI/