Nanoinseln auf Silizium mit schaltbaren topologischen Texturen
Künstlerische Darstellung des zentrierten, nach unten konvergierenden Polarisationsfeldes. Es resultiert aus der Kompression des Polarisationsflusses durch die Seitenwände der Nanoinseln, die sich nach unten zusammenziehen. Die Textur ähnelt einem Flüssigkeitsstrudel, der in einen Trichter fließt. © Laura Canil /HZB
Jede Reihe in der Tabelle entspricht einer bestimmten Orientierung der Probe. Die Spalten zeigen die Topographie (links) und die Piezoresponse-Kraftmikroskopie (PFM)-Bilder. In der lateralen PFM-Amplitude zeigen die Nanoinseln ein Muster aus dunklen und hellen Bereichen, das an Kaffeebohnen erinnert und typisch für Texturen mit zentrierter polarer Verteilung ist. © HZB
Nanostrukturen mit spezifischen elektromagnetischen Texturen versprechen Anwendungsmöglichkeiten für die Nanoelektronik und zukünftige Informationstechnologien. Es ist jedoch sehr schwierig, solche Texturen zu kontrollieren. Nun hat ein Team am HZB eine bestimmte Klasse von Nanoinseln auf Silizium mit chiralen, wirbelnden polaren Texturen untersucht, die durch ein externes elektrisches Feld stabilisiert und sogar reversibel umgeschaltet werden können.
Ferroelektrika im Nanomaßstab weisen eine Fülle an polaren und manchmal wirbelnden (chiralen) elektromagnetischen Texturen auf. Diese Texturen sind physikalisch faszinierend, versprechen aber auch eine Reihe von Anwendungen, ob in der Nanoelektronik oder in künftigen Informationstechnologien: Zum Beispiel als ultrakompakte Datenspeicher oder extrem energieeffiziente Feldeffekttransistoren. Ein Knackpunkt ist jedoch ihre Stabilität und die Frage, ob es möglich ist, diese Texturen durch einen externen elektrischen oder optischen Reiz zu kontrollieren.
Neue Perspektiven
Ein Team um Prof. Catherine Dubourdieu (HZB und FU Berlin) hat nun in Nature Communications eine Arbeit veröffentlicht, die neue Perspektiven eröffnet. In Zusammenarbeit mit Teams aus CEMES-CNRS in Toulouse, der Universität Picardie in Amiens und dem Jozef-Stefan-Institut in Ljubljana hat die Gruppe um Dubourdieu eine besonders interessante Klasse von Nanoinseln auf Silizium untersucht und gezeigt, dass hier die Manipulation gelingen kann.
Nanoinseln auf Silizium
„Wir haben BaTiO3-Nanostrukturen hergestellt, die winzige Inseln auf einem Siliziumsubstrat bilden“, erklärt Dubourdieu. Die Nanoinseln haben eine trapezförmige Form mit Abmessungen von 30–60 nm (unten 30 nm, oben 60 nm) und weisen stabile Polarisationsdomänen auf. „Durch Feinjustierung bei der Siliziumwafer-Passivierung konnten wir die Keimbildung dieser Nanoinseln induzieren“, sagt Dong-Jik Kim, der in Dubourdieus Team forscht.
Domänen mit PFM untersucht
Die Domänenmuster wurden mit der Methode der Piezoresponse-Kraftmikroskopie (PFM) untersucht. „Sowohl die PFM-Messdaten als auch die Phasenfeldmodellierung deuten auf eine zentrierte, nach unten konvergente Polarisation hin, was perfekt mit den Informationen übereinstimmt, die wir unter dem Rastertransmissions-Elektronenmikroskop gewonnen haben“, sagt Doktorand Ibukun Olaniyan.
Reversibles Schalten möglich!
Insbesondere konnten sie eine wirbelnde Komponente um die Achse der Nanoinsel erkennen, die die Chiralität verursacht. „Die Textur ähnelt einem Flüssigkeitsstrudel, der in einen Trichter fließt“, erklärt Dubourdieu. „Die nach unten konvergierenden Nanodomänen im Zentrum können durch ein externes elektrisches Feld reversibel in nach oben divergierende Nanodomänen im Zentrum umgeschaltet werden“, betont sie.
„In dieser Arbeit haben wir gezeigt, dass chirale topologische Texturen durch geeignete Nanostrukturen stabilisiert werden können“, sagt Dubourdieu. Die Möglichkeit, in BaTiO3-Nanostrukturen chirale, wirbelnde, polare Texturen zu erzeugen und elektrisch zu manipulieren, ist für zukünftige Anwendungen sehr vielversprechend.
Hinweis: Diese Arbeit wurde teilweise durch den ERC Advanced Grant LUCIOLE (101098216) unterstützt.
- KI-Agenten liefern Ergebnisse – aber denken sie auch wissenschaftlich?Ein Forschungsteam unter gemeinsamer Leitung von Kevin Maik Jablonka vom Helmholtz-Institut für Polymere in Energieanwendungen Jena (HIPOLE Jena) und N. M. Anoop Krishnan vom Indian Institute of Technology Delhi hat mit Corral einen neuen Benchmark für KI-Agenten in der Wissenschaft entwickelt. Der Preprint „AI scientists produce results without reasoning scientifically“ ist auf arXiv erschienen (https://doi.org/10.48550/arXiv.2604.18805). Die Analyse zeigt, dass aktuelle Systeme zwar wissenschaftliche Workflows ausführen und Ergebnisse liefern können; häufig folgen sie dabei aber nicht den Grundprinzipien wissenschaftlicher Prüfung und Schlussfolgerung.
- Magnetfeld während der Synthese des Katalysators verdreifacht AmmoniakausbeuteEin externes Magnetfeld während der Synthese von CoFe₂O₄-Dünnschichten verdreifacht beim Einsatz in der Elektrokatalyse die Ammoniakausbeute. Das Magnetfeld verändert die Oberflächenzustände der Spinell-Oxid-Dünnschichten, so dass die katalytisch aktiven Zentren stärker exponiert sind. Im Fachjournal 'Advanced Functional Materials' zeigt ein Team um Marcel Risch, HZB, und Sanjay Mathur, Universität Köln, eine skalierbare Strategie, um Elektrokatalysatoren der nächsten Generation für effiziente und nachhaltige chemische Umwandlungen zu entwickeln.
- Materialchemie gestaltet die Zukunft der KatalyseDie synthetische Materialchemie der Zukunft kann als Werkzeug dienen, um smarte und adaptive Elektrokatalysatoren zu entwickeln. Das Forschungsfeld entwickelt sich aktuell rasant, mit In-situ-Analytik, datengestützten Entdeckungen und autonomer Robotik. Diese neuen Ansätze könnten die Entdeckung langlebiger und effizienter Katalysatoren für die zukünftige Energieumwandlung und die Dekarbonisierung der chemischen Industrie beschleunigen. Einen Überblick bietet nun ein Beitrag aus dem Team des Katalyse-Experten Dr. Prashanth Menezes im renommierten Fachjournal Angewandte Chemie.