Assembly of nanoelectronic device-structures on lithium niobate templates by means of Ferroelectric Lithography

• Applicant: Dr. Alexander Haußmann
• Subject Area: Experimental Condensed Matter Physics
• Term: from 2014 to 2018
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 235452448

• Final Report Year: 2018

Final Report Abstract

Die Methode der Ferroelektrische Lithographie ermöglicht auf geeigneten Substraten wie Lithiumniobat eine auf die Domänenwände beschränkte und dadurch sehr präzise Deposition von Nanostrukturen. Zu Projektbeginn war bekannt, dass sich das Verfahren für Edelmetalle (Ag, Au, Pt) und den ionischen Farbstoff Rhodamin 6G eignet. Die Arbeiten am Projekt setzten sich mit der Übertragung dieses Ansatzes auf größere Nanobausteine wie CNTs oder DNA-Moleküle auseinander. Dabei stellte sich heraus, dass durch UV-Licht induzierte nasschemische Reaktionen von Suspensionen dieser Stoffe durch eine unerwünschte Abscheidung von Zusatzstoffen an den DWs dominiert wird. Unter geeigneten Bedingungen ist ein Aufbau von DNA-Strukturen an DWs in einem mehrschrittigen Prozess dennoch möglich. Auch zeigen andere ionische Farbstoffe (Alexa 647, Evans Blue, Cresyl Violet, Nile Blue) die erwartete Deposition an den DWs. Die die Nanostrukturgeometrien definierenden DWs lassen sich dabei mittels UV-induziertem Domänenschreiben erzeugen. Weitere Arbeiten befassten sich mit der Charakterisierung des elektrischen Transportverhaltens der DWs, da sich dieses drastisch vom umgebenden isolierenden Kristallvolumen unterscheidet und dadurch die Deposition nachhaltig beeinflusst. Wie gezeigt werden konnte, erstreckt sich die Leitfähigkeit auch auf AC-Frequenzen im kHz-Bereich und ist direkt mit der Polarisationsladungsdichte, d.h. der DW-Geometrie (Neigungswinkel zur polaren Achse) korreliert. Dies war auch durch kontaktfreie Messungen mittels Photoelektronenemissionsmikroskopie nachweisbar. Darüber hinaus haben wir zerstörungsfreie optische Methoden entwickelt, um DWs durch das gesamte Kristallvolumen von bis zu 500 µm Dicke zerstörungsfrei mit beugungsbegrenzter Auflösung abzubilden und die für Leitfähigkeitsanalysen entscheidenden Informationen (Neigungswinkelverteilung) zu extrahieren. Diese Daten, welche einer örtlichen variierenden Leitfähigkeitsverteilung entsprechen, wurden zu einer Netzwerkmodellierung von DWs benutzt.

Publications

• Nanoscale and macroscopic electrical AC transport along conductive domain walls in lithium niobate single crystals. Mater. Res. Express 1, 035012 (2014)
  M. Schröder, X. Chen, A. Haußmann, A. Thiessen, J. Poppe, D. Bonnell, and L.M. Eng
  
• Real-time three-dimensional profiling of ferroelectric domain walls. Appl. Phys. Lett. 107, 152905 (2015)
  T. Kämpfe, P. Reichenbach, A. Haußmann, T. Woike, E. Soergel, and L. M. Eng
  
• Time-resolved photo-luminescence spectroscopy of Nb4+Nb and O− polarons in LiNbO3 single crystals. Phys. Rev. B 93, 174116 (2016)
  T. Kämpfe, P. Reichenbach, A. Haußmann, A. Thiessen, T. Woike, R. Steudtner, and L.M. Eng
  
• Advanced analysis of domain walls in Mg doped LiNbO3 crystals with high resolution OCT. Opt. Express 25, 14871 (2017)
  L. Kirsten, A. Haußmann, C. Schnabel, S. Schmidt, P. Cimalla, L.M. Eng, and E. Koch
  
• Bottom-up assembly of molecular nanostructures by means of ferroelectric lithography. Langmuir 33, 475 (2017)
  A. Haußmann, A. Gemeinhardt, M. Schröder, T. Kämpfe and L.M. Eng
  
• Enhancing the domain wall conductivity in lithium niobate single crystals. ACS Nano 11, 4816 (2017)
  C. Godau, T. Kämpfe, A. Thiessen, L.M. Eng, and A. Haußmann
  
• Polarization driven conductance variations at charged ferroelectric domain walls. Nanoscale 9, 10933 (2017)
  A.-S. Pawlik, T. Kämpfe, A. Haußmann, T. Woike, U. Treske, M. Knupfer, B. Büchner, E. Soergel, R. Streubel, A. Koitzsch, and L.M. Eng
  
• Three-dimensional, time-resolved profiling of ferroelectric domain wall dynamics by spectral-domain optical coherence tomography. Ann. Phys. (Berlin) 529, 1700139 (2017)
  A. Haußmann, L. Kirsten, S. Schmidt, P. Cimalla, L. Wehmeier, E. Koch, and L.M. Eng
  
• Dipole-tunneling model from asymmetric domain-wall conductivity in LiNbO3 single crystals. Phys. Rev. Appl. 10, 034002 (2018)
  S.Y. Xiao, T. Kämpfe, Y.M. Jin, A. Haußmann, X.M. Lu, and L.M. Eng
  
• Resistor Network Modeling of Conductive Domain Walls in Lithium Niobate. Adv. Electron. Mater. 4, 1700242 (2018)
  B. Wolba, J. Seidel, C. Cazorla, C. Godau, A. Haußmann, and L.M. Eng