Lokale Analyse zweidimensionaler Elektronensysteme in Oxidheterostrukturen mittels nanooptischer Mikroskopie und Spektroskopie

• Antragsteller: Professor Dr. Thomas Taubner; Professor Dr.-Ing. Rainer Waser, seit 1/2019
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 315025796

Neuartige 2-dimensionale Elektronengase (2DEGs), die an Grenzflächen zwischen elektrisch isolierenden Oxiden beobachtet werden, bieten aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften enormes Potential für die physikalische Grundlagenforschung und zukünftige Elektroniktechnologien. Diese 2DEGs werden beobachtet, wenn ein polares Oxid (z.B. LaAlO3) mit atomarer Präzision auf ein nicht-polares Oxid (SrTiO3) aufgewachsen wird. Nach heutigem Kenntnisstand entsteht das 2DEG dann durch eine elektronisch-ionische Grenzflächenrekonstruktion, die von einem mit der Schichtdicke anwachsenden Dipolmoment hervorgerufen wird.In diesem Projekt soll der Zusammenhang zwischen mikroskopischer Struktur an der Grenzfläche und den elektrischen Eigenschaften des 2DEG lokal aufgelöst untersucht werden und laterale Inhomogenität in der Elektronendichte mittels optischer Streulicht-Rasternahfeldmikroskopie (scattering-type Scanning Near-Field Optical Microscopy, s-SNOM) abgebildet werden. Ergänzt werden die s-SNOM Untersuchungen durch Spektroskopie (XPEEM) und komplementären Rastersonden-Methoden.Im Fokus steht die Untersuchung und das Verständnis der lokalen Entstehungsprozesse des 2DEG (1) beim Durchlaufen der kritischen Schichtdicke des polaren Oxidfilms und (2) bei der systematischen lokalen Variation der Grenzflächenterminierung. Außerdem ermöglicht das Projekt (3) Zugang zu den lokalen dielektrischen Eigenschaften der Materialien in der Nähe der Grenzfläche. Darüber soll der Einfluss von Kristalldefekten auf das 2DEG untersucht werden.Als besondere Herausforderung erfordern diese Aufgaben eine geeignete experimentelle Methode, die es ermöglicht das vergrabene Elektronengas durch die isolierende Deckschicht hindurch zu untersuchen, ohne sie zu zerstören. s-SNOM liefert ebendiese nicht-destruktive Möglichkeit vergrabene Strukturen (grenzflächensensitiv) lokal aufzulösen. Durch spektroskopische Messungen bei verschiedenen Wellenlängen können mittels s-SNOM weiterhin die lokalen dielektrischen Eigenschaften der Grenzfläche und der anliegenden Materialien untersucht werden. s-SNOM liefert neben der Untersuchung des 2DEG von oben durch die isolierende Schicht hindurch auch die Möglichkeit Querschnitte durch die Grenzfläche zu untersuchen und somit (4) das Tiefenprofil der Elektronendichte an der Grenzfläche abzutasten.Ziel des Projektes sind außerdem methodische Fortschritte bei der Beschreibung der Nahfeld-Antwort von niederdimensionalen Systemen. Insbesondere soll (5) die Nahfeldwechselwirkung zwischen s-SNOM-Sonde und dem vergrabenen 2DEG im Detail modelliert werden und (6) eine neue Laserquelle in s-SNOM-Operation etabliert werden.Die zu erwartenden Ergebnisse dieses Projekts sollen das grundlegende Verständnis des Rekonstruktionsprozesses an Oxid-Heterogrenzflächen verbessern. Durch die zu erwartenden methodischen Fortschritte wird s-SNOM weiter als moderne Analysemethode etabliert und für weitere komplexe, niederdimensionale Systeme zugänglich gemacht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Dr. Felix Gunkel, bis 1/2019