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A8: Multiferroische 0–3-, 2–2- und 1–3-Komposite

Ziel des Projektes ist die Präparation multiferroischer Grenzflächen zwischen magnetischen und ferroelektrischen Oxiden und die Untersuchung des Zusammenspiels ionischer und elektronischer Prozesse beim magnetoelektrischen Schalten.

Zwei zentrale Fragestellungen betreffen den Beitrag ionischer Prozesse zum polarisationsabhängigen Tunnelwiderstand an ferroelektrischen Barrieren und zur elektrischen Leitfähigkeit an multiferroischen Grenzflächen. Als Materialien stehen Ba_1-xSr_xTiO₃ oder PbZr_1-xTi_xO₃ in Kombination mit Ferrit-Spinellen MFe₂O₄ (M = Co, Mg, Mn, Ni) im Zentrum des Interesses. Die Komposit-Multiferroika unterschiedlicher Dimensionalität werden mittels verschiedener soft-chemistry Verfahren sowie der gepulsten Laserdeposition (PLD) synthetisiert. Nach Phasenanalyse und Bestimmung der chemischen Zusammensetzung sowie der Kristallstruktur werden die ferroischen Eigenschaften und die magnetoelektrische Kopplung temperaturabhängig und in elektrischen sowie magnetischen Feldern untersucht. Ionische Prozesse beim Schalten durch ein hohes elektrisches Feld werden lokal mit temperatur- und feldabhängiger Rasterkraftmikroskopie untersucht. Dotierungen und die Einstellung des Sauerstoffgehalts werden zur Kontrolle ionischer Effekte eingesetzt.

1–3-Komposite werden über oxidische Matrizen mit geordneten Porenstrukturen erzeugt. 2–2-Komposite werden durch Rotationsbeschichtung oder epitaktisches Wachstum präpariert, wobei auch eigene, durch Zonenschmelzen gezüchtete Einkristalle als Substrate eingesetzt werden. Für 0–3-Komposite erfolgt die Synthese über nasschemische Verfahren mit anschließender Sinterung. Zusätzlich wird die eutektische Kristallisation eingesetzt, die für BaTiO₃/CoFe₂O₄ eine sehr hohe magnetoelektrische Kopplung ergibt und deshalb auf andere Systeme übertragen werden soll. Zur strukturellen Probencharakterisierung werden Röntgen- und Neutronendiffraktion eingesetzt. Horizontal-vergrabene oder vertikale Grenzflächen werden im Kraftmikroskop unter Anwendung elektrischer Felder durch die Kraftmikroskopiespitze untersucht und manipuliert. Das Umschalten ferroelektrischer Polarisation erfordert Feldstärken, die in Oxiden zu einem Ionentransport (Sauerstoffleerstellen, Spaltung einer Oberflächenwasserlage) führen können. Es werden in den letzten Jahren entwickelte Methoden der Kraftmikroskopie (elektrochemische Dehnungsmikroskopie (ESM) und lokale Strom-Spannungs-Kennlinien) eingesetzt, um ionische Prozesse zu analysieren und ihre Auswirkung auf die magnetoelektrische Kopplung aufzuklären.