Nanoinseln auf Silizium mit schaltbaren topologischen Texturen

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.