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.
- Schriftrollen aus buddhistischem Schrein an BESSY II virtuell entrolltIn der mongolischen Sammlung des Ethnologischen Museums der Staatlichen Museen zu Berlin befindet sich ein einzigartiger Gungervaa-Schrein. Der Schrein enthält auch drei kleine Röllchen aus eng gewickelten langen Streifen, die in Seide gewickelt und verklebt sind. Ein Team am HZB konnte die Schrift auf den Streifen teilweise sichtbar machen, ohne die Röllchen durch Aufwickeln zu beschädigen. Mit 3D-Röntgentomographie erstellten sie eine Datenkopie des Röllchens und verwendeten im Anschluss ein mathematisches Verfahren, um den Streifen virtuell zu entrollen. Das Verfahren wird auch in der Batterieforschung angewandt.
- Langzeittest zeigt: Effizienz von Perowskit-Zellen schwankt mit der JahreszeitAuf dem Dach eines Forschungsgebäudes am Campus Adlershof läuft ein einzigartiger Langzeitversuch: Die unterschiedlichsten Solarzellen sind dort über Jahre Wind und Wetter ausgesetzt und werden dabei vermessen. Darunter sind auch Perowskit-Solarzellen. Sie zeichnen sich durch hohe Effizienz zu geringen Herstellungskosten aus. Das Team um Dr. Carolin Ulbrich und Dr. Mark Khenkin hat Messdaten aus vier Jahren ausgewertet und in der Fachzeitschrift Advanced Energy Materials vorgestellt. Dies ist die bislang längste Messreihe zu Perowskit-Zellen im Außeneinsatz. Eine Erkenntnis: Standard-Perowskit-Solarzellen funktionieren während der Sommersaison auch über mehrere Jahre sehr gut, lassen jedoch in der dunkleren Jahreszeit etwas nach. Die Arbeit ist ein wichtiger Beitrag, um das Verhalten von Perowskit-Solarzellen unter realen Bedingungen zu verstehen.
- Natrium-Ionen-Batterien: Neuer Speichermodus für KathodenmaterialienBatterien funktionieren, indem Ionen zwischen zwei chemisch unterschiedlichen Elektroden gespeichert und ausgetauscht werden. Dieser Prozess wird Interkalation genannt. Bei der Ko-Interkalation werden dagegen sowohl Ionen als auch Lösungsmittelmoleküle in den Elektrodenmaterialien gespeichert, was bisher als ungünstig galt. Ein internationales Team unter der Leitung von Philipp Adelhelm hat nun jedoch gezeigt, dass die Ko-Interkalation in Natrium-Ionen-Batterien mit den geeigneten Kathodenmaterialien funktionieren kann. Dieser Ansatz bietet neue Entwicklungsmöglichkeiten für Batterien mit hoher Effizienz und schnellen Ladefähigkeiten. Die Ergebnisse wurden in Nature Materials veröffentlicht.