23.12.2020

Flexibles Materialsystem für Spintronic

Kompositsystem aus zwei Oxiden durch Verschiebung von Ionen gezielt manipulierbar.

Die meisten Materialien sind entweder magnetisch oder sie sind es nicht. Wissenschaftler des Forschungs­zentrums Jülich haben nun aber einen neuen Mechanismus entschlüsselt, der es ermöglicht, die elektronischen und magnetischen Eigenschaften eines Materials gezielt und umkehrbar zu verändern. Der Effekt beruht auf dem Transfer von Ionen an der Grenzfläche zweier Oxide – die Forscher konnten nun die Existenz dieses Prozesses erstmalig experimentell nachweisen.

 

Flexibles Materialsystem für Spintronic

Beide Oxide allein zeigen typischerweise weder Magnetismus noch eine signifikante elektrische Leitfähigkeit. Erst in Kombination treten beide Eigenschaften an ihrer Grenzfläche auf. Die genauen Ursachen für deren Stärke sind noch unklar. Den Forschern gelang es aber, die magnetische Ordnung an der Grenzfläche durch die Verschiebung von Ionen zu verändern. Das Material wird dadurch magnetischer. Über die Elektronenverteilung konnten sie zudem auch die elektrischen Eigenschaften kontrollieren.

Derartig flexible Materialsysteme sind für verschiedene neuartige IT-Konzepte wie das neuromorphe Computing oder spintronische Ansätze relevant. Eine mögliche Anwendung wäre etwa ein multifunktionaler Spintronics-Transistor, der nicht nur elektrischen Strom, sondern möglichweise auch Spin-Ströme steuern kann. Ein solches Bauteil könnte dann sowohl durch das Anlegen einer Spannung als auch eines Magnetfeldes gesteuert werden.

Das untersuchte elektronische Grenzflächensystem aus den Oxiden LaAlO3 und SrTiO3 wurde bereits 2004 entdeckt und hat weltweites Interesse hervorgerufen. Beide Materialien tauschen an der Kontaktfläche sowohl Elektronen als auch atomare Bestandteile in Form geladener Ionen aus, wie die Jülicher Forscher nun erstmalig zeigen konnten. An der Grenzfläche bilden sich dadurch neue elektronische Eigenschaften aus. Ein ähnliches Phänomen ist klassischerweise auch von Halbleitern bekannt. Der rein elektronische Effekt ist dort aber ausschließlich auf den Austausch von Elektronen beschränkt.

Die Forscher des Jülicher Peter Grünberg Instituts (PGI-7/PGI-6) konnten erstmals experimentell nachweisen, dass neben dem Austausch von Elektronen auch der ionische Ladungs­transfer für die Veränderung der elektronischen Eigenschaften des Komposit­systems verantwortlich ist. Das Konzept macht es möglich, die Leitfähigkeit der Grenzfläche einzustellen und gleichzeitig magnetische Eigenschaften zu generieren.

Über verschiedene Mischungen von elektronischem und ionischen Ladungs­transfer konnten sie verschiedene Grenzflächen herstellen, die sich hinsichtlich ihrer elektronischen und atomaren Struktur unterscheiden. Die Forscher konnten beispielsweise Grenzflächen erzeugen, die eine hohe Leitfähigkeit und schwachen Magnetismus aufweisen oder aber eine niedrigere Leitfähigkeit und stärkeren Magnetismus.

Der experimentelle Nachweis gelang mittels Röntgen-Photo­elektronen­spektroskopie unter atmosphärischen Bedingungen (near-ambient pressure X-ray photoelectron spectroscopy, NAP-XPS). Die Methode ist noch recht neu und erlaubt – wie jetzt nachgewiesen – direkten Zugriff auf die ionischen Prozesse an atomar definierten Grenzflächen. Im Experiment kann so die Bewegung von Kationen über die Grenzfläche hinweg untersucht und dynamisch über Temperatur und Sauerstoff­atmosphäre gesteuert werden. Aus diesen Daten lassen sich gezielt Rückschlüsse über den Zusammenhang von ionischer Struktur und den resultierenden elektrischen und magnetischen Eigenschaften ziehen.

Die Kontrolle des Ionentransfers erfolgt über den Kontakt mit Sauerstoff. Dieser führt dazu, dass sich Strontium-Ionen aus der Grenzfläche hinaus­bewegen. Jedes fehlende Strontium-Ion bindet zwei Elektronen, die dann nicht mehr zur elektrischen Leitfähigkeit beitragen können, so dass die elektrische Leit­fähigkeit sinkt. Gleichzeitig entstehen bei diesem Prozess Kristalldefekte, die die magnetische Ordnung der übrigen Elektronen beeinflussen. Somit wird das System magnetischer, während es an Leitfähigkeit verliert. Dass sich diese Kationen derart frei bewegen können, wurde vorher schon von Forschern postuliert, mehrheitlich allerdings für praktisch nicht möglich gehalten. Der experimentelle Nachweis dieses Prozesses in der vorliegenden Studie setzt daher einen Meilen­stein im Verständnis ionischer Prozesse an Oxid-Grenzflächen.

Das Forschungsprojekt wurde unter Federführung des PGI-7 und PGI-6 unter Beteiligung der RWTH Aachen, des PGI-1 sowie internationaler Kooperationen mit Forschern der Charles University in Prag, Advanced Light Source (ALS) in Berkeley und des Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) in Richland durchgeführt.

FZJ / DE

 

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