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A10: Finite-size-Effekte in atomar dünnen einkristallinen REO₃-Filmen

Ein neuartiger Ansatz zur Supraleitung bei Raumtemperatur besteht in der Metallisierung ultra-dünner Schichten von antiferromagnetischen (AF) isolierenden Oxiden. Diese Überlegung folgt der Prämisse, dass magnetische Wechselwirkungen wesentlich für supraleitende Kopplungsmechanismen in Hochtemperatursupraleitern sind, die auf Cuprat-Oxiden basieren. Die Ausgangsverbindungen dieser Familie sind isolierende Antiferromagnete: Diese Materialien werden metallisch und dann supraleitend, wenn die langreichweitigen AF Wechselwirkungen unterdrückt werden, z. B. durch chemische Dotierung oder durch Druck. Viele Untersuchungen lassen vermuten, dass dennoch kurzreichweitige AF Fluktuationen fortbestehen, und dass diese einen supraleitenden Cooper-Paar Mechanismus zur Folge haben könnten.

Es gibt verschiedene Gruppen von oxidischen Materialien, die bei Normaldruck AF Zustände aufweisen: eine davon sind die Oxide der Seltenen Erden (RE), die Antiferromagnetismus bei hohen Temperaturen zeigen: LaFeO₃ (LFO) hat eine der höchsten bekannten antiferromagnetischen Ordnungs-Temperaturen mit einer a Néel Temperatur nahe 1000 K. Wir haben mit oxide molecular beam epitaxy qualitativ hochwertige dünne Filme von LFO hergestellt. Diese Filme sind isolierend, wenn sie auf SrTiO₃ (STO) Substraten hergestellt werden, die sowohl chemisch gereinigt als auch bei 1000 °C in Sauerstoff getempert worden sind. Wenn solche Substrate nur chemisch gereinigt und nicht getempert werden scheint ein zweidimensionales Elektronengas (2DEG) zu entstehen. Der einzige Unterschied zwischen den Substratoberflächen ist, dass die Kanten der Terrassen auf den Vizinalflächen im ersten Fall glatt sind und im zweiten Fall diffus. Elektronenmikroskopische Querschnitts-Abbildungen und Elektronenenergieverlustspektroskopie (EELS) zeigen, dass die Grenzflächen zwischen den STO und LFO Filmen in beiden Fällen abrupt sind, mit einer Rauigkeit bzw. einem Intermixing in der Größenordnung von einer Atomlage. Die Entstehung des 2DEG ist aus diesem Grund schwer zu verstehen. Wir haben kürzlich gefunden, dass electrolyte gating beide dieser Grenzflächen reversibel zwischen metallischen und isolierenden Zuständen umschalten kann. Das geschieht konsistent mit der Entstehung oder dem Auffüllen von Sauerstoffleerstellen, wie kürzlich in VO₂ Filmen gezeigt.

Diese Ergebnisse sind geeignet, um die Bildung von 2DEG an der STO/LaAlO3 (LAO) Grenzfläche zu diskutieren. Darüber gibt es seit fast einem Jahrzehnt fortgesetzte Debatten: Die Mehrheit der Forscher vermutet eine elektronische Ursache, die aus einem Polarisationsproblem entsteht, und die Minderheit schlägt verschiedene Defektmechanismen vor. Um in diese Debatte einzugreifen, schlagen wir ein Projekt zur Erforschung und materialwissenschaftlichen Entwicklung der Metallisierung von ultra-dünnen Oxidschichten der REO₃ Familie vor. Das würde eine Kombination von anspruchsvollen Wachstumsverfahren für dünne Filme, hochentwickelter Struktur- und elektronischer Charakterisierung, mit theoretischen Berechnungen und Modellierung erfordern. Ziel wäre das Verständnis und die Kontrolle der Metallisierung dieser Filme im Hinblick auf neuartige, unkonventionelle Supraleiter.

Projektleiter

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