Sandwiches aus Metalloxiden

Sandwich-Systeme aus dünnen Schichten von Übergangs­metall­oxiden zeigen oft über­raschende Eigen­schaften an den Grenz­flächen. Das Parade­beispiel ist eine Doppel­schicht aus Lanthan-Aluminat und Strontium-Titanat. Während die beiden Oxid-Schichten im Inneren des Materials elektrisch isolierend und unmag­netisch sind, beobachtet man an der Grenz­fläche der beiden Schichten Ferro­magne­tismus, hohe Leit­fähig­keit und unter bestimmten Bedin­gungen sogar Supra­leitung. Ein Team um Manuel Bibes vom CNRS in Fran­kreich hat jetzt gemein­sam mit inter­nationalen Partnern einen neuen Ansatz gefunden, um die Eigen­schaften von Grenz­flächen gezielt zu steuern. Zusammen mit Sergio Valencia und weiteren Wissen­schaftlern vom Helm­holtz-Zentrum Berlin konzi­pierten sie eine Versuchs­reihe an BESSY II, mit der sie wichtige Ergeb­nisse erzielt haben.

Bibes und seine Kollegen stellten dafür zunächst Doppel­schichten aus extrem dünnen Metall­oxid-Filmen her, einen Gado­linium-Titanat-Film und einen R-Nickelat-Film, wobei R ein Element aus der Gruppe der seltenen Erden ist. „Es ist uns damit gelungen, zwei sehr unter­schied­liche Über­gangs­metall­oxide zu kombi­nieren. Während in der chemischen Bindung der Titanat-Schicht die Elek­tronen stark loka­li­siert sind, sind sie in der Nickelat-Schicht zwischen den Sauer­stoff- und Nickel­atomen verteilt“, erklärt Bibes. An der Grenz­fläche wandern daher einige Ladungs­träger aus der Titanat- in die Nickelat-Schicht. Diesen Prozess unter­suchten die Wissen­schaftler anhand von Proben mit Lanthan, Neodym und Samarium.

An BESSY II konnten sie beobachten, dass der Ladungs­transfer zwischen den beiden Schichten vom Selten-Erd-Element in der Nickelat-Schicht abhängt. Die unter­schied­lichen Selten-Erd-Elemente besitzen verschiedene Atom­radien. Dies beein­flusst die Wechsel­wirkungen zwischen den Nickel- und Sauer­stoff-Atomen und damit auch die Kovalenz und ihren Anteil an der chemischen Bindung. Das war bereits bekannt – aber die Wissen­schaftler konnten nun erst­mals beob­achten, dass sich die Stärke der Kovalenz wiederum auf den Ladungs­transfer von der Titanat- in die Nickelat-Schicht auswirkt. „Das ist das wichtigste Ergebnis“, sagt Valencia. „Wir haben damit entdeckt, wie wir die chemische Bindung beein­flussen können, um den Ladungs­transfer zu steuern.“

Über diesen Mechanismus könnte man beein­flussen, wie sich neue Phasen an den Grenz­flächen aus­bilden, zum Beispiel der Ferro­magne­tismus, der in dem jetzigen Experiment beob­achtet wurde. „Vielleicht können wir so auch unkon­ven­tio­nelle Supra­leitung finden, die man in Analogie zu Kupraten auch in solchen Nickelat-Hetero­strukturen vermutet “, so Valencia. Und Bibes ergänzt: „Wir hoffen, dass diese Arbeit dazu bei­tragen wird, bessere Grenz­flächen zu entwickeln, an denen neue aufregende Phasen der Materie gezielt erzeugt und unter­sucht werden können.“

HZB / RK