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A6: Ferromagnetische und ferroelektrische Eigenschaften von Oxidoberflächen

Ziel des Projektes ist das Studium der elektronischen Eigenschaften von Grenzflächen in multi ferroischen Systemen mittels Elektronenspektroskopie. Es werden dabei zunächst die reinen Oxid oberflächen charakterisiert und dann schrittweise die zweite Komponente abgeschieden. Mit Spin polarisierter Metastabiler induzierten Elektronenspektroskopie soll die spontane Spinpolarisation an Oxidoberflächen nachgewiesen werden. Der Einfluss der elektrischen Polarisation auf die elektronische Oberflächenstruktur soll am Beispiel BaTiO₃ studiert werden. Mittels XPS sollen die Banddiskontinuitäten an Halbleiter/Ferroelektrikum-Grenzflächen untersucht werden.

Das vorliegende Projekt soll sich mit speziellen elektronischen Phänomenen an Ober- bzw. Grenzflächen von Oxiden beschäftigen, die experimentell mit elektronenspektroskopischen Methoden untersucht werden. Dabei kann durch Einsatz unterschiedlicher Anregungsquellen die Informationstiefe von Null (Metastabilen induzierte Elektronenspektroskopie (MIES)) bis etwa 20 nm (Photoelektronenspektroskopie mit hochenergetischen Photonen (Synchrotron, HIKE)) variiert werden. So sind sowohl Phänomene direkt an der Oberfläche, wie der bei einigen Oxiden theoretisch vorhergesagte Oberflächenmagnetismus, als auch tiefer reichende Bandverbiegungen an Grenzflächen experimentell zugänglich, und es kann die Abhängigkeit der Elektronenstruktur von strukturellen Parametern wie z.B. Zusammensetzung, Defektdichte, kristalline Struktur untersucht werden.

Ein spezielles zurzeit sehr diskutiertes Thema ist der theoretisch vorhergesagte Oberflächenmagnetismus an polaren Oberflächen nichtmagnetischer Oxide. Im Rahmen des Projektes sollen die metastabilen Heliumatome für MIES durch optisches Pumpen spinpolarisiert werden und somit eine spinaufgelöste Messung der elektronischen Struktur der Oberfläche ermöglichen. Auf diese Weise soll erstmals der experimentelle Nachweis spontaner Spinpolarisation an Oxidoberflächen zunächst am MgO(111), später auch an anderen Oxidsystemen gelingen. Ziel ist es, einen systematischen Zusammenhang zwischen Zusammensetzung, kristalliner Struktur, der Defektdichte und der Spinpolarisation und damit den magnetischen Eigenschaften von Oberflächen herzustellen. Damit soll ein allgemeiner Beitrag zur Aufklärung der Ursachen für Magnetismus in dünnen Schichten und an Oberflächen geleistet werden.

Ein weiteres Problem, das vorwiegend mittels MIES bearbeitet werden soll, sind die elektronischen Veränderungen an ferroelektrischen Oxidoberflächen unter Einfluß der Polarisation. Als typisches Beispiel soll hierbei BaTiO₃ dienen. MIES sollte sowohl in der Lage sein, die Terminierung unterschiedlich hergestellter Proben festzustellen, als auch den Einfluß der elektrischen Polarisation auf die elektronische Struktur zu bestimmen. Untersuchungen zum Einfluss der Polarisation auf das Wachstum von Heterostrukturen liegen bis jetzt nicht vor und sollen im Projekt am Beispiel Metall/BaTiO₃ (z.B. Nickel und Platin) sowie an Halbleiter/BaTiO₃-Strukturen (z.B. CuI, SrCu₂O₂) systematisch erfasst werden.

Für alle Anwendungen von Heterostrukturen, die mit einem Spin- oder Ladungstransport durch die Grenzfläche verbunden sind, ist die Kenntnis des elektronischen Banddiagramms von großer Bedeutung. Sehr wichtige Parameter sind dabei die Leitungs- und Valenzbanddiskontinuitäten an der Heterogrenzfläche, die wegen der vielen Einflussfaktoren nur schwer theoretisch zu bestimmen sind. Ziel des dritten Schwerpunkts des Projektes ist deshalb die Bestimmung solcher Banddiskontinuitäten in Abhängigkeit von der Zusammensetzung, der kristallographischen Orietierung, der chemischen Bindung und der ferroelektrischen Polarisation mittels Photoelektronenspektroskopie an Grenzflächen, die im UHV erzeugt werden. Als Modellsysteme sollen CuI/BaTiO₃(001), SrCu₂O₂/BaTiO₃(001), ZnO/BaTiO₃(001), BaTiO₃/ZnO(0001)/r-Saphir und (Zn,Mg)O/ZnO dienen. Die experimentell ermittelten Banddiskontinuitäten liefern wertvolle Informationen für die Modellierung von Transportvorgängen an diesen Grenzflächen, die einen großen Einfluss auf die makroskopischen Eigenschaften der Gesamtheterostruktur haben. Solche Eigenschaften werden in anderen Teilprojekten untersucht. Insbesondere der Einfluss der Polarisation auf die Bandstruktur an Halbleiter/Ferroelektrikum-Grenzflächen ist bislang nicht untersucht. Mit Hilfe der Synchrotronstrahlungsangeregten Photoelektronenspektroskopie (SXPS) ist es möglich, sowohl Effekte dicht an der Oberfläche (z.B. die Fermi-Niveau induzierte Defektbildung für Halbleiter mit großer Bandlücke) als auch tieferreichende Veränderungen des Banddiagramms (z.B. die Bandverbiegung in der Raumladungszone) durch Variation der Anregungsenergie zu untersuchen und Tiefenprofile zu ermitteln.