Kontrolle magnetischer Hysteresen und Domänen über potentialinduzierte elektrochemische Reaktionen

• Antragstellerin: Professorin Dr.-Ing. Karin Leistner
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 400178764

Die gezielte Variation der magnetischen Eigenschaften dünner Schichten ist essentiell für viele moderne Konzepte im Bereich der Spintronik und der magnetbasierten Lab-on-Chip Systeme. Ansätze, die auf elektrischem Strom basieren, weisen sehr hohe Verluste durch Joulesche Wärme auf. Für energieeffizientere Konzepte wird sehr intensiv an der Manipulation magnetischer Eigenschaften über eine äußere elektrische Spannung geforscht. So konnten in multiferroischen Systemen und magnetischen Halbleitern spannungsinduzierte Änderungen des Magnetismus erreicht werden, die aber oft auf tiefe Temperaturen oder komplizierte Schichtarchitekturen begrenzt sind. Kürzlich wurde gezeigt, dass an ferromagnetischen metallischen Dünnschichten große Änderungen des Magnetismus durch spannungsinduzierte elektrochemische Reaktionen bei Raumtemperatur auftreten können. Die mikroskopischen Vorgänge während dieser sogenannten magneto-ionischen Reaktionen sind noch weitgehend unerforscht. Um das enorme Potential der Magneto-ionik ausnutzen zu können, müssen die Zusammenhänge zwischen der elektrochemischen Phasentransformation und den Änderungen der magnetischen Eigenschaften aufgedeckt werden. In unserem Projekt zielen wir auf fundamentale reversible Änderungen der magnetischen Hysterese und Domänen in Metalloxid/Metallschichten über potentialinduzierte elektrochemische Reaktionen. Als magnetisches Schichtmaterial wird FeOx/Fe und Cox/Co aufgrund der hohen Magnetisierung bei Raumtemperatur gewählt. Die Verwendung flüssiger Elektrolyte wird sowohl hohe elektrische Felder als auch hohe Ionenmobilität an der Elektrodengrenzfläche ermöglichen. Die Änderungen der Struktur, Mikrostruktur und Zusammensetzung durch elektrochemische Phasenänderungen sollen mit den resultierenden magnetischen Eigenschaften korreliert werden. Damit sollen die Mechanismen magneto-ionischer Reaktionen verstanden und die Bedingungen für hohe Reversibilität und nichtflüchtige Umwandlungen aufgeklärt werden. Ziel ist es, den magnetischen Zustand durch einen Spannungspuls und geringen initialen Stromfluss reversibel zu modifizieren. Solche schaltbaren Schichten sollen mit Dünnschichten, die eine senkrechte magnetische Anisotropie aufweisen, kombiniert werden. In Heterostrukturen nahe kritischer Punkte sollen schichtdickenabhängige magnetische Interaktionen so auch über elektrochemische Reaktionen gesteuert werden. Damit wird beispielsweise eine spannungskontrollierte Spinreorientierung erwartet. Im Projekt soll eine elektrochemische Zelle, die mit Kerr-Mikroskopie kompatibel ist, entwickelt werden, um erstmalig die lokalen Auswirkungen magneto-ionischer Reaktionen in flüssigen Elektrolyten aufzulösen. An strukturierten Schichten sollen der Einfluss von Oxidations- und Reduktionsreaktionen auf Streufeldlandschaften und das Domänenwandpinning untersucht werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen