Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Atomare Anordnung als Schlüssel für Materialeigenschaften

24.11.2014

Materialwissenschaftler erzielen Fortschritt in der Nanotechnologie durch atomare Kontrolle der Materialeigenschaften von Dünnschichtsystemen

Wie kann die Speicherkapazität von Mikrochips erhöht werden? Wie verbessert man die Eigenschaften von Halbleitern? Materialwissenschaftler suchen schon lange nach einer Möglichkeit die physikalischen Eigenschaften von Materialien auf atomarer Skala zu kontrollieren und dadurch ihre Eigenschaften zu verbessern.


Graphische Darstellung der Domänenwände.

Foto: Nymus3D


Unten: Ergebnis einer Transmissionselektronenmikroskop-Messung. Durch die Manipulation der Domänenwände (im Bild durch die Punkt-X-Linie erkennbar), die bis zu 5 Nanometer dick sind, können neue Herstellungsmethoden für nanoskalige Systeme entwickelt werden. Diese neue Herangehensweise verspricht die Kapazität von Speichermedien zu vergrößern. Foto: Nature, doi:10.1038/nature13918

Nanoforscher des Düsseldorfer Max-Planck-Instituts für Eisenforschung (MPIE) sind zusammen mit Kollegen der Universitäten Groningen (Niederlande), Zaragoza (Spanien), Tarragona (Spanien) und München, und Forschungsinstituten in Toulouse (Frankreich) und Barcelona (Spanien) dieser Herausforderung einen Schritt näher gekommen.

Für die Kontrolle von Materialeigenschaften sind besonders Oxide interessant, da bereits kleine Modifikationen ihrer atomaren Struktur einen großen Einfluss auf ihre magnetischen und elektrischen Eigenschaften haben. Aus früheren Arbeiten ist bekannt, dass die für Halbleiter und Speichermedien interessante Materialkombination Terbium-Mangan-Oxid zwei wesentliche Eigenschaften kombiniert: sie ist sowohl ferroelektrisch als auch ferromagnetisch bis zu einer Materialdicke von ca. 80 Nanometern. Im Vergleich dazu ist ein menschliches Haar etwa 80.000 Nanometer dick.

Diese Eigenschaften sind besonders wichtig, weil sie zum Beispiel die Kapazität von Datenspeichern bestimmen. Ist das Material dicker als 80 Nanometer, so ist es nur noch ferroelektrisch. In der Materialwissenschaft wurde lange diskutiert, warum diese Materialkombination gleichzeitig diese beiden Eigenschaften aufweist – aus dieser Erkenntnis erhoffte sich die Fachwelt die Eigenschaften besser kontrollieren zu können.

„Die Materialkombination aus Terbium-Mangan-Oxid wird als Dünnschichtfilm auf ein Substrat aus Strontium-Titan-Oxid aufgetragen. Lange sind wir davon ausgegangen, dass die ferromagnetischen und –elektrischen Eigenschaften im Wesentlichen durch die Grenzfläche zwischen Dünnschicht und Substrat bestimmt werden. Jetzt können wir zeigen, dass sich innerhalb der Terbium-Mangan-Oxid Dünnschicht eine neue Phase, eine sogenannte Domänenwand, als Grenze zwischen zwei Bereichen bildet, welche die Eigenschaften für unser System dominiert.

Die Terbium-Atome sitzen dabei in einer Zick-Zack-Linie entlang der Kristallstruktur des Dünnfilms. Wenn sich zwei solcher Zick-Zack-Linien an einer Domänenwand treffen, verursacht dies Spannungen. Das Faszinierende ist, dass innerhalb dieser Domänenwand ein Terbium-Atom durch ein Mangan-Atom ausgetauscht wird. Genau diese zusätzlichen Mangan-Atome verursachen die magnetischen Eigenschaften der Dünnschicht“, erläutert Dr. Sriram Venkatesan, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Max-Planck-Institut für Eisenforschung in der Abteilung Struktur und Nano- / Mikromechanik von Materialien.

Eine Phase ist hierbei ein räumlicher Bereich innerhalb eines Materials, bei dem die Zusammensetzung der Materie und bestimmende physikalische Parameter, wie die magnetischen Eigenschaften oder die Dichte, homogen sind.

„Wir können die Anzahl der Domänenwände sehr gut kontrollieren. Während man früher dachte, Domänenwände müssten bei der Herstellung der Materialschichten vermieden werden, wissen wir jetzt, dass wir sie nutzen können, um die Materialeigenschaften zu beeinflussen“, erklärt Prof. Christina Scheu, Leiterin der unabhängigen Forschungsgruppe ‚Nanoanalytik und Grenzflächen‘ am MPIE.

Zusammen mit Dr. Sriram Venkatesan und Alexander Müller, Doktorand in ihrer Gruppe, war sie an der Aufklärung der atomaren Struktur und chemischen Zusammensetzung innerhalb des Forschungsprojekts von Frau Prof. Beatriz Noheda (Universität Groningen) beteiligt. Hintergrund ist, dass innerhalb der Domänenwände die Symmetrie der Atome im Kristall aufgebrochen wird.

Dadurch weisen Domänenwände andere Eigenschaften als der Rest des Materials auf. „Je dünner die Materialschichten, desto mehr Domänenwände entstehen. Und je mehr Wände es gibt, desto magnetischer das Material“. Die Wissenschaftler nehmen an, dass dieser Effekt bei allen Zick-Zack-Mustern auftritt und somit die atomare Struktur und chemische Zusammensetzung der Domänenwände eine zentrale Rolle für die Eigenschaften einnehmen.

Die internationale Forschergruppe hat ihre Erkenntnisse mittels Computersimulationen und Experimenten verifiziert. Die Nutzung der Domänenwände in komplexen Oxiden zur Beeinflussung von Materialeigenschaften kann auch auf andere Materialsysteme angewendet werden und öffnet somit den Weg für neue und optimierte Anwendungen in der Halbleiterindustrie und Spintronik, ein neues Forschungsgebiet in der Nanoelektronik. Die Zukunft von Speichermedien und Computern kann somit maßgeblich beeinflusst werden.

Publikation:
S. Farokhipoor, C. Magén, S. Venkatesan, J. Íniguez, C.J.M. Daumont, D. Rubi, E. Snoeck, M. Mostovoy, C. de Graaf, A. Müller, M. Döblinger, C. Scheu & B. Noheda: Artificial chemical and magnetic structure at the domain walls of an epitaxial oxide. In: Nature 515, 379–383, (20 November 2014), doi:10.1038/nature13918


Weitere Informationen:

http://www.mpie.de

Yasmin Ahmed Salem | Max-Planck-Institut

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Forscherin entwickelt elektronische Textilstruktur für Medizinprodukte
17.02.2017 | Hochschule Niederrhein - University of Applied Sciences

nachricht Untergrund beeinflusst Halbleiter-Monolagen
16.02.2017 | Philipps-Universität Marburg

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Kühler Zwerg und die sieben Planeten

Erdgroße Planeten mit gemäßigtem Klima in System mit ungewöhnlich vielen Planeten entdeckt

In einer Entfernung von nur 40 Lichtjahren haben Astronomen ein System aus sieben erdgroßen Planeten entdeckt. Alle Planeten wurden unter Verwendung von boden-...

Im Focus: Mehr Sicherheit für Flugzeuge

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem totalen Triebwerksausfall zum Einsatz kommt, um den Piloten ein sicheres Gleiten zu einem Notlandeplatz zu ermöglichen, und ein Assistenzsystem für Segelflieger, das ihnen das Erreichen größerer Höhen erleichtert. Präsentiert werden sie von Prof. Dr.-Ing. Wolfram Schiffmann auf der Internationalen Fachmesse für Allgemeine Luftfahrt AERO vom 5. bis 8. April in Friedrichshafen.

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem...

Im Focus: HIGH-TOOL unterstützt Verkehrsplanung in Europa

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt sich bewerten, wie verkehrspolitische Maßnahmen langfristig auf Wirtschaft, Gesellschaft und Umwelt wirken. HIGH-TOOL ist ein frei zugängliches Modell mit Modulen für Demografie, Wirtschaft und Ressourcen, Fahrzeugbestand, Nachfrage im Personen- und Güterverkehr sowie Umwelt und Sicherheit. An dem nun erfolgreich abgeschlossenen EU-Projekt unter der Koordination des KIT waren acht Partner aus fünf Ländern beteiligt.

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt...

Im Focus: Zinn in der Photodiode: nächster Schritt zur optischen On-Chip-Datenübertragung

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium allein – die stoffliche Basis der Chip-Produktion – sind als Lichtquelle kaum geeignet. Jülicher Physiker haben nun gemeinsam mit internationalen Partnern eine Diode vorgestellt, die neben Silizium und Germanium zusätzlich Zinn enthält, um die optischen Eigenschaften zu verbessern. Das Besondere daran: Da alle Elemente der vierten Hauptgruppe angehören, sind sie mit der bestehenden Silizium-Technologie voll kompatibel.

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium...

Im Focus: Innovative Antikörper für die Tumortherapie

Immuntherapie mit Antikörpern stellt heute für viele Krebspatienten einen Erfolg versprechenden Ansatz dar. Weil aber längst nicht alle Patienten nachhaltig von diesen teuren Medikamenten profitieren, wird intensiv an deren Verbesserung gearbeitet. Forschern um Prof. Thomas Valerius an der Christian Albrechts Universität Kiel gelang es nun, innovative Antikörper mit verbesserter Wirkung zu entwickeln.

Immuntherapie mit Antikörpern stellt heute für viele Krebspatienten einen Erfolg versprechenden Ansatz dar. Weil aber längst nicht alle Patienten nachhaltig...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Big Data Centrum Ostbayern-Südböhmen startet Veranstaltungsreihe

23.02.2017 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - April 2017

23.02.2017 | Veranstaltungen

Wie werden wir gesund alt? - Alternsforscher tagen auf interdisziplinärem Symposium in Magdeburg

23.02.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Heinz Maier-Leibnitz-Preise 2017: DFG und BMBF zeichnen vier Forscherinnen und sechs Forscher aus

23.02.2017 | Förderungen Preise

Big Data Centrum Ostbayern-Südböhmen startet Veranstaltungsreihe

23.02.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Planeten außerhalb unseres Sonnensystems: Bayreuther Forscher dringen tief ins Weltall vor

23.02.2017 | Physik Astronomie