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A2: Polarisationswechselwirkung in Laser-MBE Wurzit-Perovskit Heterostrukturen

Die bisher kaum erforschte Wechselwirkung von Kristallgitter-Ladungen eines polaren II-VI-Halbleiters (wie ZnO) mit den schaltbaren, auf die ferroelektrische Polarisation zurückgehenden Ladungen eines oxidischen Ferroelektrikums (wie BaTiO₃) an den Hetero-Grenzflächen soll mit elektrischen Methoden untersucht werden. Verschiedene, neuartige Schalter- und Speicher-Funktionalitäten werden bezüglich des Anwendungspotenzials und des modellhaften Verständnisses entwickelt. Dazu komplementäre elektro-optische Untersuchungen sind in B3 vorgesehen. In A2 erfolgt außerdem die Probenpräparation für B4, B6 und weitere Projekte.

Unsere elektrische Charakterisierung von ersten, polykristallinen BaTiO₃-ZnO-Strukturen auf Silizium hat asymmetrische Strom-Spannungs-Hysteresen und bistabile Kapazitäts-Spannungs-Kennlinien ergeben, die neuartige potenzielle Funktionalitäten als schaltbare Metall-Ferroelektrikum-Halbleiter- (MFS-) Dünnfilmdiode und kapazitive Speicherzelle eröffnen. Zur Realisierung verbesserter, Atomlagen-kontrollierter, gitterangepasster Grenzflächen soll in A2 die für Oxide besonders geeignete Züchtung mittels Laser-Plasmaabscheidung (Pulsed Laser Deposition - PLD) zur Laser-Molekularstrahl-Epitaxie (Laser-MBE) mit in-situ RHEED-Kontrolle des Wachstums weiterentwickelt werden. In der ersten Förderphase soll die experimentelle Untersuchung und die Modellierung der elektrischen Kennlinien von pseudomorph auf SrTiO₃:Nb oder ZnO-Substraten gewachsenen BaTiO₃-ZnO-Grenzflächen im Vordergrund stehen. Dabei soll durch gezielte Gitterverspannung die spontane Polarisation der Filme variiert werden. Die optische Charakterisierung dieser Strukturen soll in B3 erfolgen. Die Erarbeitung von Funktionsdemonstratoren von neuartigen MFS-Bauelementen und Speicherzellen würde auf Grundlage der in Phase 1 herausgearbeiteten Kopplungseffekte in der nachfolgenden Periode fortgesetzt und durch die Einbeziehung der magnetischen Wechselwirkung sowohl in der Kombination Multiferroikum/ZnO als auch Ferroelektrikum/DMS (DMS-diluted magnetic semiconductor – zum Beispiel ZnO, ZrO₂ oder HfO₂ dotiert mit 3d-oder 4f-Elementen, siehe B6) ergänzt werden können. Multiferroische Dünnfilme können viel höhere ferroelektrische Polarisationen und magnetische Momente als die entsprechenden Bulkmaterialien zeigen.

Von A2 sollen außerdem oxidische FET-Transistorstrukturen für B4 und oxidische magnetische Tunnelstrukturen für B6 bereitgestellt werden, wo mittels Laser-MBE ebenfalls eine definiertere Grenzflächenqualität und verbesserte Gate- und Tunnelbarrieren erreicht werden sollen.