Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Auf der Nanoskala Sektorwände versetzen

08.06.2015

Wissenschaftler der ETH Zürich können die magnetische und elektrische innere Ordnung einer intensiv erforschten Materialklasse, den Multiferroika, sichtbar machen und gezielt verändern. Dies öffnet Türen für vielversprechende elektronische Anwendungen. Speziell interessieren sich die Forschenden für die Wände der geordneten Bereiche.

Die meisten magnetischen Materialen sind etwas komplizierter aufgebaut als ein handelsüblicher Küchenmagnet: Sie haben nicht nur einen Nord- und einen Südpol, sondern setzen sich aus einer Vielzahl oft nur Nanometer grosser Sektoren zusammen, in denen die magnetische Achse jeweils in eine andere Richtung zeigt. Diese Sektoren werden als Domänen bezeichnet.


Strontiummanganit ist ein Multiferroikum, das in einer dünnen Kristallschicht vorliegt. In dieser vergrösserten Aufnahme sind die einzelnen Domänen sichtbar, welche nur rund 100 Nanometer breit sind. (Bild: Becher C et al. Nature Nanotechnology 2015)

Manfred Fiebig, Professor für multifunktionale ferroische Materialen an der ETH Zürich, untersuchte in den vergangenen Jahren in bestimmten Materialien die Wände, an denen die Domänen aneinandergrenzen. «Das Innenleben eines Materials mit seinen Domänen ist das eine», sagt Fiebig. «Ganz interessante Dinge passieren jedoch an den Grenzwänden dieser Domänen.»

Fiebig hat sich dabei einer ganz speziellen Klasse von Materialen verschrieben: den Oxiden, und zwar insbesondere solchen mit sogenannt multiferroischen Eigenschaften. Das sind kristalline Materialien, die einerseits magnetisch geordnet sind (das heisst, einen magnetischen Nord- und Südpol aufweisen), gleichzeitig aber auch eine elektrische Ordnung aufweisen (das heisst, die elektrische Ladung ist im Material so verteilt, dass es zusätzlich zum magnetischen auch einen elektrischen Plus- und Minuspol gibt).

«Weil in multiferroischen Materialen eine magnetische und eine elektrische Ordnung zusammenkommen, sind auch Kreuzkopplungen möglich: Man kann zum Beispiel den magnetischen Zustand mit einer elektrischen Spannung ändern», erklärt Fiebig. Diese Eigenschaften machen die Materialen auch für viele Anwendungen interessant und sind der Hauptgrund, warum Multiferroika derzeit von der Wissenschaft so intensiv erforscht werden.

Winzige Kondensatoren

Gemeinsam mit Forscherkollegen hat Fiebig die Domänengrenzen in bestimmten Multiferroika genau untersucht und dieser Tage dazu zwei Fachartikel veröffentlicht. Darin konnten die Wissenschaftler zeigen, dass sich die elektrische Leitfähigkeit der Domänenwände von jener des Materials als Ganzes unterscheidet. In einem Material, Strontiummanganit, konnten sie zeigen, dass Domänenwände elektrischen Stromfluss unterdrücken.

«Ein Material mit nicht-leitenden Wänden in einer leitenden Umgebung kann in der Elektronik sehr nützlich sein», so Fiebig. Denkbar wäre beispielsweise, damit elektronische Bauteile herzustellen, in denen die nanometergrossen Domänen als winzige Kondensatoren wirken, die man getrennt voneinander elektrisch aufladen kann.

«So könnte man ein neues ladungsbasiertes Speichermedium schaffen», sagt Fiebig. Um in einer Domäne die Ladung zu ändern, benötige man nur einen Spannungspuls, es müsse dazu kein Strom fliessen. Ein solches Speichermedium wäre im Vergleich zu heutigen energieeffizienter. Zudem entstünde bei der Datenspeicherung keine Wärme, die man abführen müsse, weshalb man solche Speichermedien sehr viel kleiner bauen könnte.

Die Arbeit verfassten Wissenschaftler aus der Gruppe von Manfred Fiebig gemeinsam mit solchen aus der Gruppe von ETH-Professorin Nicola Spaldin sowie der Universität Saragossa. Spaldin und ihre Mitarbeiter trugen die theoretische Erklärung bei, warum in Strontiummanganit die Domänenwände nicht leiten. Fiebig erklärt es so: Kristalline Materialien seien niemals perfekt aufgebaut. An bestimmten Stellen im Kristallgitter der Oxide würden einzelne Sauerstoffatome fehlen. Die Wissenschaftler konnten nun zeigen, dass sich solche «Sauerstoff-Lücken» mit Vorliebe an den Domänengrenzen ansammelten und dort den Stromfluss blockierten.

Leitfähigkeit manuell verändern

In Untersuchungen an einem zweiten multiferroischen Material, Terbiummanganit, konnten Wissenschaftler aus Fiebigs Gruppe gemeinsam mit Kollegen aus Japan zeigen, dass sich die Domänengrenzen mit elektrischen Feldern unter bestimmten Bedingungen auch verschieben lassen. «Dies ist ein Vorteil gegenüber herkömmlichen Halbleitermaterialien, die eine gewachsene, feste Struktur haben», so Fiebig. Ausserdem fanden die Forschenden in diesem Material Bedingungen, unter denen sich die Magnetisierung der Domänen sowie die Leitfähigkeit der Domänengrenzen ändern lassen, ohne dabei die Position der Grenzen zu ändern.

Voraussetzung für diese Untersuchungen ist eine Technik, mit der man die Domänen und deren Grenzen überhaupt sichtbar machen kann. Dies ist derzeit einzig mit einer bestimmten optischen Methode, der Frequenzverdopplung, möglich. Dazu bestrahlt man das Material mit einem sehr intensiven, gepulsten Laserstrahl einer bestimmten Farbe.

Als Reaktion darauf sendet das Material andersfarbiges Licht aus, woraus die Wissenschaftler Informationen über die magnetische und elektrische Struktur des Materials gewinnen können. ETH-Professor Fiebig war in den vergangenen Jahren die treibende Kraft hinter der Entwicklung, diese optische Methode zur Untersuchung der inneren Ordnung von Materialien zu nutzen.

Neue technische Möglichkeiten

Dass es nun in einem Multiferroikum möglich ist, die Domänenwände nicht nur zu sehen, sondern sie auch gezielt zu verschieben oder ihre Leitfähigkeit zu verändern, öffnet die Türen für neue technische Möglichkeiten. Konkrete Anwendungen lägen zwar noch in der Ferne, stellt Fiebig klar. Doch die Erkenntnisse könnten später nicht nur in Datenspeicher, sondern auch in Sensoren oder komplexe elektronische Bauteile fliessen.

«Wenn man in einem Material die Leitfähigkeit verändern kann, hat man einen Schalter – in unserem Fall einen, den man steuern kann, ohne etwas mechanisch zu bewegen, und der somit nicht anfällig ist auf Materialermüdung», sagt Fiebig und denkt derweil schon an den nächsten Entwicklungsschritt: Im Moment könne man in Multiferroika einen magnetischen Zustand mit einem elektrischen Feld verändern. In Zukunft sei es vielleicht sogar möglich, auf das elektrische Feld zu verzichten und den Zustand rein optisch zu schalten. Dies, indem man mit den intensiven Lichtpulsen nicht nur die innere Struktur sichtbar macht, sondern sie damit gleich verändert.

Literaturhinweise

Matsubara M, Manz S, Mochizuki M, Kubacka T, Iyama A, Aliouane N, Kimura T, Johnson SL, Meier D, Fiebig M: Magnetoelectric domain control in multiferroic TbMnO3. Science, 5. Juni 2015, doi: 10.1126/science.1260561 [http://dx.doi.org/10.1126/science.1260561]

Becher C, Maurel L, Aschauer U, Lilienblum M, Magén C, Meier D, Langenberg E, Trassin M, Blasco J, Krug JP, Algarabel PA, Spaldin NA, Pardo JA, Fiebig M: Strain-induced coupling of electrical polarization and structural defects in SrMnO3 films. Nature Nanotechnology, 1. Juni 2015, doi: 10.1038/nnano.2015.108 [http://dx.doi.org/10.1038/nnano.2015.108]

Weitere Informationen:

https://www.ethz.ch/de/news-und-veranstaltungen/eth-news/news/2015/06/auf-der-na...

Fabio Bergamin | ETH Zürich

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Lasertests unter Tiefsee-Bedingungen am LZH
19.06.2018 | Laser Zentrum Hannover e.V.

nachricht Dem Fettfinger zu Leibe rücken: Neuer Nanolack soll Antifingerprint-Oberflächen schaffen
15.06.2018 | Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Überdosis Calcium

Nanokristalle beeinflussen die Differenzierung von Stammzellen während der Knochenbildung

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Universitäten Freiburg und Basel haben einen Hauptschalter für die Regeneration von Knochengewebe identifiziert....

Im Focus: Overdosing on Calcium

Nano crystals impact stem cell fate during bone formation

Scientists from the University of Freiburg and the University of Basel identified a master regulator for bone regeneration. Prasad Shastri, Professor of...

Im Focus: AchemAsia 2019 in Shanghai

Die AchemAsia geht in ihr viertes Jahrzehnt und bricht auf zu neuen Ufern: Das International Expo and Innovation Forum for Sustainable Chemical Production findet vom 21. bis 23. Mai 2019 in Shanghai, China statt. Gleichzeitig erhält die Veranstaltung ein aktuelles Profil: Die elfte Ausgabe fokussiert auf Themen, die für Chinas Prozessindustrie besonders relevant sind, und legt den Schwerpunkt auf Nachhaltigkeit und Innovation.

1989 wurde die AchemAsia als Spin-Off der ACHEMA ins Leben gerufen, um die Bedürfnisse der sich damals noch entwickelnden Iindustrie in China zu erfüllen. Seit...

Im Focus: AchemAsia 2019 will take place in Shanghai

Moving into its fourth decade, AchemAsia is setting out for new horizons: The International Expo and Innovation Forum for Sustainable Chemical Production will take place from 21-23 May 2019 in Shanghai, China. With an updated event profile, the eleventh edition focusses on topics that are especially relevant for the Chinese process industry, putting a strong emphasis on sustainability and innovation.

Founded in 1989 as a spin-off of ACHEMA to cater to the needs of China’s then developing industry, AchemAsia has since grown into a platform where the latest...

Im Focus: Li-Fi erstmals für das industrielle Internet der Dinge getestet

Mit einer Abschlusspräsentation im BMW Werk München wurde das BMBF-geförderte Projekt OWICELLS erfolgreich abgeschlossen. Dabei wurde eine Li-Fi Kommunikation zu einem mobilen Roboter in einer 5x5m² Fertigungszelle demonstriert, der produktionsübliche Vorgänge durchführt (Teile schweißen, umlegen und prüfen). Die robuste, optische Drahtlosübertragung beruht auf räumlicher Diversität, d.h. Daten werden von mehreren LEDs und mehreren Photodioden gleichzeitig gesendet und empfangen. Das System kann Daten mit mehr als 100 Mbit/s und fünf Millisekunden Latenz übertragen.

Moderne Produktionstechniken in der Automobilindustrie müssen flexibler werden, um sich an individuelle Kundenwünsche anpassen zu können. Forscher untersuchen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Hengstberger-Symposium zur Sternentstehung

19.06.2018 | Veranstaltungen

LymphomKompetenz KOMPAKT: Neues vom EHA2018

19.06.2018 | Veranstaltungen

Simulierter Eingriff am virtuellen Herzen

18.06.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Rätselhaftes IceCube-Ereignis könnte von Tau-Neutrino stammen

19.06.2018 | Physik Astronomie

Automatisierung und Produktionstechnik – Wandlungsfähig – Präzise – Digital

19.06.2018 | Messenachrichten

Überdosis Calcium

19.06.2018 | Medizin Gesundheit

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics