Magnetische Austauschkopplung und elektrisches Schalten in multiferroischen BiFeO3/Doppelperowskit Heterostrukturen

• Antragsteller: Professor Dr. Gerhard Jakob
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 358671374

Multiferroische Materialien, die zugleich magnetische und ferroelektrische Ordnung zeigen, bieten eine einzigartige Möglichkeit die Magnetisierungsrichtung durch elektrische Felder zu beeinflussen. Das Multiferroikum BiFeO3 (BFO), das ein Ferroelektrikum und ein Antiferromagnet ist, wird zusammen mit einer ferromagnetischen Decklage aus einem halbmetallischen Doppelperowskit genutzt, um eine direkte Austauschkopplung der geordneten Fe Spins im G-Typ Antiferromagnet an die korrespondierende räumliche Ordnung der Fe Atome im Doppelperowskit zu erzielen. Durch die Drehung der ferroelektrischen Polarisationsrichtung im Multiferroikum in einem elektrischen Feld wird auch dessen zugehörige antiferromagnetische Richtung gedreht. Aufgrund der Austauschkopplung an der Grenzfläche folgt die Magnetisierungsrichtung des Ferromagneten. Hierdurch kann ein extrem dissipationsarmes Schalten des Ferromagneten erreicht werden, da nur die kleinen Ströme zum Umladen der ferroelektrischen Kondensatorstruktur fließen müssen.Bisher konnte diese Vision noch nicht bei Raumtemperatur reproduzierbar realisiert werden da meist versucht wurde die Austauschkopplung an "konventionelle, einfache" Ferromagneten wie metallisches Cobalt oder zwischenvalente Manganate zu erzielen. Bei einer idealen Grenzfläche ist jedoch die Netto Austauschkopplung der Spins des Antiferromagneten die alternierend links bzw. rechts zeigen, zu den Spins des Ferromagneten, die alle links (oder rechts) zeigen verschwindend, so dass nur eine Restkopplung an antiferromagnetischen Domänenwänden oder Grenzflächen Rauigkeiten verbleibt.In der geordneten Struktur der Doppelperowskite, wie z. B. Sr2FeMoO6, wechseln sich die Fe bzw. Mo Atome alternierend ab, so dass an einer Grenzfläche immer Fe Atome des Doppelperowskits zu nach links zeigenden Fe Spins des Multiferroikums koppeln und nichtmagnetische Mo Atome den nach rechts zeigenden Fe Spins des Multiferroikums benachbart sind. Dies verspricht eine ideale Ankopplung der Schichten, die in diesem Projekt erstmals realisiert werden soll, wofür eine nichttriviale Kontrolle des epitaktischen Schichtwachstums beider Materialien nötig ist.Darüber hinaus wirken die starken elektrischen Felder an der Grenzfläche als ein kontrollierbares, schaltbares Rashba Feld und modifizieren die Grenzflächeneigenschaften, wie z. B. die magnetische Grenzflächenanisotropie oder die Dzyaloshinskii Moriya Wechselwirkung an der Grenzfläche, wofür entsprechende experimentelle Bestätigung gesucht wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen