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 Neue Biotinte für den Druck gewebeähnlicher Strukturen
19.10.2017 | Forschungszentrum Jülich, Jülich Centre for Neutron Science

nachricht Was winzige Strukturen über Materialeigenschaften verraten
19.10.2017 | Ruhr-Universität Bochum

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Hochfeldmagnet am BER II: Einblick in eine versteckte Ordnung

Seit dreißig Jahren gibt eine bestimmte Uranverbindung der Forschung Rätsel auf. Obwohl die Kristallstruktur einfach ist, versteht niemand, was beim Abkühlen unter eine bestimmte Temperatur genau passiert. Offenbar entsteht eine so genannte „versteckte Ordnung“, deren Natur völlig unklar ist. Nun haben Physiker erstmals diese versteckte Ordnung näher charakterisiert und auf mikroskopischer Skala untersucht. Dazu nutzten sie den Hochfeldmagneten am HZB, der Neutronenexperimente unter extrem hohen magnetischen Feldern ermöglicht.

Kristalle aus den Elementen Uran, Ruthenium, Rhodium und Silizium haben eine geometrisch einfache Struktur und sollten keine Geheimnisse mehr bergen. Doch das...

Im Focus: Schmetterlingsflügel inspiriert Photovoltaik: Absorption lässt sich um bis zu 200 Prozent steigern

Sonnenlicht, das von Solarzellen reflektiert wird, geht als ungenutzte Energie verloren. Die Flügel des Schmetterlings „Gewöhnliche Rose“ (Pachliopta aristolochiae) zeichnen sich durch Nanostrukturen aus, kleinste Löcher, die Licht über ein breites Spektrum deutlich besser absorbieren als glatte Oberflächen. Forschern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es nun gelungen, diese Nanostrukturen auf Solarzellen zu übertragen und deren Licht-Absorptionsrate so um bis zu 200 Prozent zu steigern. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler nun im Fachmagazin Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.1700232

„Der von uns untersuchte Schmetterling hat eine augenscheinliche Besonderheit: Er ist extrem dunkelschwarz. Das liegt daran, dass er für eine optimale...

Im Focus: Schnelle individualisierte Therapiewahl durch Sortierung von Biomolekülen und Zellen mit Licht

Im Blut zirkulierende Biomoleküle und Zellen sind Träger diagnostischer Information, deren Analyse hochwirksame, individuelle Therapien ermöglichen. Um diese Information zu erschließen, haben Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT ein Mikrochip-basiertes Diagnosegerät entwickelt: Der »AnaLighter« analysiert und sortiert klinisch relevante Biomoleküle und Zellen in einer Blutprobe mit Licht. Dadurch können Frühdiagnosen beispielsweise von Tumor- sowie Herz-Kreislauf-Erkrankungen gestellt und patientenindividuelle Therapien eingeleitet werden. Experten des Fraunhofer ILT stellen diese Technologie vom 13.–16. November auf der COMPAMED 2017 in Düsseldorf vor.

Der »AnaLighter« ist ein kompaktes Diagnosegerät zum Sortieren von Zellen und Biomolekülen. Sein technologischer Kern basiert auf einem optisch schaltbaren...

Im Focus: Neue Möglichkeiten für die Immuntherapie beim Lungenkrebs entdeckt

Eine gemeinsame Studie der Universität Bern und des Inselspitals Bern zeigt, dass spezielle Bindegewebszellen, die in normalen Blutgefässen die Wände abdichten, bei Lungenkrebs nicht mehr richtig funktionieren. Zusätzlich unterdrücken sie die immunologische Bekämpfung des Tumors. Die Resultate legen nahe, dass diese Zellen ein neues Ziel für die Immuntherapie gegen Lungenkarzinome sein könnten.

Lungenkarzinome sind die häufigste Krebsform weltweit. Jährlich werden 1.8 Millionen Neudiagnosen gestellt; und 2016 starben 1.6 Millionen Menschen an der...

Im Focus: Sicheres Bezahlen ohne Datenspur

Ob als Smartphone-App für die Fahrkarte im Nahverkehr, als Geldwertkarten für das Schwimmbad oder in Form einer Bonuskarte für den Supermarkt: Für viele gehören „elektronische Geldbörsen“ längst zum Alltag. Doch vielen Kunden ist nicht klar, dass sie mit der Nutzung dieser Angebote weitestgehend auf ihre Privatsphäre verzichten. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entsteht ein sicheres und anonymes System, das gleichzeitig Alltagstauglichkeit verspricht. Es wird nun auf der Konferenz ACM CCS 2017 in den USA vorgestellt.

Es ist vor allem das fehlende Problembewusstsein, das den Informatiker Andy Rupp von der Arbeitsgruppe „Kryptographie und Sicherheit“ am KIT immer wieder...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Das Immunsystem in Extremsituationen

19.10.2017 | Veranstaltungen

Die jungen forschungsstarken Unis Europas tagen in Ulm - YERUN Tagung in Ulm

19.10.2017 | Veranstaltungen

Bauphysiktagung der TU Kaiserslautern befasst sich mit energieeffizienten Gebäuden

19.10.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Forscher finden Hinweise auf verknotete Chromosomen im Erbgut

20.10.2017 | Biowissenschaften Chemie

Saugmaschinen machen Waschwässer von Binnenschiffen sauberer

20.10.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Strukturbiologieforschung in Berlin: DFG bewilligt Mittel für neue Hochleistungsmikroskope

20.10.2017 | Förderungen Preise