Magnetoelektrizität in molekularem Komplex

Sowohl Ferro­magnete als auch Ferroelektrika besitzen ihre besonderen Eigenschaften dauerhaft und sind deshalb unver­zichtbare Bausteine für die Elektronik. Beide Arten von Materialien weisen Domänen­strukturen auf, die unterhalb einer kritischen Temperatur zur Ausbildung einer spontanen Polarisation führen. Es ist leider nicht einfach, diese beiden Eigenschaften in einem Material zu verbinden. Die meisten solcher magneto­elektrischen Materialien zeigen nur bei tieferen Temperaturen ihre Stärken, bei Raum­temperatur verlieren sie sie jedoch. Allerdings wären solche multifunktionalen Systeme besonders interessant für die Elektronik der Zukunft, um damit etwa Datenspeicher mit hoher Kapazität, spin­tronische Bauelemente oder allgemein energie­effiziente Komponenten herstellen zu können. So könnte man Daten­speicher künftig etwa elektrisch beschreiben und magnetisch auslesen, was Vorteile beider Techniken verbände.

Einem französisch-portu­giesischen Forscherteam um Jérôme Long von der Universität Montpellier ist es nun gelungen, ein spezielles para­magnetisches Molekül zu entwickeln, das eine magnetoelektrische Kopplung zulässt, wenn man aus ihm einen ferro­elektrischen Kristall erzeugt. Solche multi­ferroischen Materialien stehen zwar seit einiger Zeit im Fokus der Forschung. Allerdings ist die Kopplung zwischen der elektrischen und der magnetischen Ordnung in solchen Substanzen eher schwach. Dies liegt daran, dass die magnetischen und die elektrischen Eigenschaften üblicherweise aus unter­schiedlichen chemischen Strukturen stammen.

Durch gezieltes Design der entsprechenden Komplexe ist es den Wissen­schaftlern jetzt aber gelungen, die magnetischen und elektrischen Eigenschaften in ihrem Molekül so zu verbinden, dass bereits schwache Magnetfelder zur Mani­pulation der Zustände ausreichen. Zudem behält das Material diese Eigenschaften auch bei Raumtemperatur bei. Ungewöhnlich daran ist außerdem, dass beide Eigenschaften sich innerhalb eines einzelnen Moleküls verwirklichen ließen. Die meisten Ansätze zu Multi­ferroika basieren auf Komposi­tmaterialien, die aus verschiedenen dünnen Schichten oder Nanostrukturen aufgebaut sind. Bei solchen Materialien kombiniert man üblicher­weise eine piezo­elektrische Substanz mit einer magneto­striktiven.

Die Wissen­schaftler entwarfen das Molekül um einen chiralen Lanthaniden-Komplex, bei dem ein dreifach positiv geladenes Ion aus dem Seltenerd-Metall Ytterbium ein hohes magne­tisches Moment aufweist. Dieses befindet sich in der Nähe eines dia­magnetischen Zink-Komplexes, der ferro­elektrisch ist. Die Forscher konnten anhand der piezo­elektrischen Eigenschaften in einem Rasterkraf­tmikroskop eine magnetoelektrische Kopplung bei diesem Molekül feststellen. Dabei ließ sich diese Kopplung schon bei einer vergleichsweise niedrigen Feldstärke messen, die rund eine Größen­ordnung unterhalb derjenigen vergleichbarer Materialien lag. Außerdem zeigte das Material Photo­lumineszenz im nahen Infrarot. Das ließe auch die Integration in photomagneto­elektrischen Schaltkreisen zu.

Die magnetoelektrische Kopplung stammte vom Einfluss des Ytterbium-Ions: Bei Anlegen eines Magnetfelds erzeugt dieses eine mechanische Deformation im Molekül, die wiederum die Ausrichtung des elektrischen Dipols beeinflusste. „Die Kombination von Ferro­elektrizität und der durch das Ytterbium-Ion bereitgestellten Magnetostriktion sorgt für die außer­gewöhnliche magneto­elektrische Kopplung auch bei Raumtemperatur“, sagt Long. 

Wie sich dieses Gebiet weiter entwickeln wird, lässt sich schwer vorhersagen, da die umgesetzten Ideen relativ neu sind und verschiedene zukünftige Forschungs­pfade möglich machen. So lassen sich im Prinzip enorm viele verschiedene derartige Arten von Molekülen synthe­tisieren, die in ihrem Zusammenspiel eine enorme Vielfalt und Flexibilität beinhalten sollten. 

Auch wenn es sich bei dieser Studie weitgehend um Grundlagen­forschung handelt, lassen sich dennoch einige länger­fristige Perspektiven ausmachen, was mögliche techno­logische Anwendungen betrifft. Wenn sich etwa die elektrischen Eigenschaften von Ferroelektrika auch bei Raum­temperaturen präzise magnetisch beeinflussen lassen, wird es damit möglich, mehrstufige Datenträger­systeme zu bauen. Damit könnte sich die Speicher­dichte erhöhen. Auf der anderen Seite lassen sich elektrische Felder mit weniger Energie­einsatz erzeugen als magnetische. Das könnte etwa bei magne­tischen Festplatten dazu führen, dass man besonders energie­effiziente Geräte dadurch erhält, indem man den magnetischen Zustand mit Hilfe eines elektrischen Feldes beeinflusst. Dazu müsste aber zunächst die elektrische Kontrolle von Magnet­feldern bei solchen Materialien besser funktionieren. 

Dirk Eidemüller

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  J. Long et al.: Room temperature magnetoelectric coupling in a molecular ferroelectric ytterbium(III) complex, Science 367, 671 (2020); DOI: 10.1126/science.aaz2795
• Metal complexes and molecular (nano)materials (Y. Guari), Universität Montpellier

Weitere Beiträge

• R. K. Vasudevan et al.: Ferroelectric or non-ferroelectric: Why so many materials exhibit “ferroelectricity” on the nanoscale, Appl. Phys. Rev. 4, 021302 (2017); DOI: 10.1063/1.4979015
• P. Mandal et al.: Designing switchable polarization and magnetization at room temperature in an oxide, Nature 525, 363 (2015); DOI: 10.1038/nature14881

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