Muster aus polaren Wirbeln in bleifreien Übergittern auf Silizium
Das Bild zeigt die periodischen Polwirbel in einem BaTiO₃-SrTiO3-Übergitter auf Silizium. Über dem HAADF-STEM-Bild, das an einer [100]-BaTiO3-Lamelle des Supergitters aufgenommen wurde, liegt eine Karte mit den entsprechenden Verschiebungen des Elements Titan. Die gelben Pfeile zeigen Richtung und Größe der Ti-Verschiebung an. © HZB/Nature Communications
Ein Team am HZB hat erstmals polare Wirbel in (BaTiO3/SrTiO3)10-Übergittern auf Silizium nachgewiesen. Diese Ergebnisse erweitern das Spektrum an Materialien und Substraten, auf denen polare topologische Texturen auftreten können, und sie eröffnen neue Möglichkeiten für die Einbindung komplexer ferroelektrischer Zustände in siliziumbasierte Technologien.
Polare Strukturen wie Wirbel wurden bislang fast ausschließlich in bleihaltigen Übergittern beobachtet, die aus ultradünnen ferroelektrischen und dielektrischen Titanatschichten auf Oxid-Substraten bestehen. Das empfindliche Gleichgewicht zwischen elektrischen Kräften, mechanischen Spannungen (die vom Substrat ausgehen) und der Energie, die zur Änderung der Polarisationsrichtung erforderlich ist, führt zu charakteristischen elektrischen Dipolmustern in den ferroelektrischen Schichten.
Polare Strukturen für Bauelemente nutzen
Grundsätzlich könnten Strukturen mit komplexen polaren Zuständen genutzt werden, um neuartige Bauelemente mit spezifischen Funktionen zu entwickeln, da diese Strukturen klein und stabil sind und durch externe elektrische Felder beeinflusst werden können. Um dies zu erreichen, wäre es jedoch wichtig, das giftige Blei zu ersetzen und die Schichten auf Siliziumsubstraten abzuscheiden, wie es in der Halbleiterindustrie die Norm ist.
Alternierende Schichten auf Silizium
Einem Team um die HZB-Physikerin Prof. Dr. Catherine Dubourdieu ist dies nun gelungen: In ihrer neuen Studie, die in Nature Communications veröffentlicht wurde, präsentiert das Team epitaktisch gewachsene Schichten aus Barium- und Strontiumtitanaten auf Silizium, die regelmäßige Streifen aus polaren Wirbeln aufweisen. Das Schichtsystem wurde mittels Molekularstrahlepitaxie im HZB-Labor für Quantenmaterialien hergestellt. Die Superstruktur aus regelmäßigen ferroelektrischen Wirbelröhren konnten sie mit Untersuchungen am Rastertransmissionselektronenmikroskop in der Gruppe um Prof. Christoph Koch an der Humboldt-Universität und weiteren Analysen an der Röntgenquelle PETRA III in Hamburg nachweisen.
Regelmäßige Streifen aus Wirbeln
Die Wirbel in jeder BaTiO₃-Schicht ordnen sich entlang einer bestimmten Kristallrichtung von BaTiO3 an und bilden ein robustes Streifenmuster. Das Siliziumsubstrat gibt die nötige mechanische Spannung vor, wodurch sich die polaren Wirbel bilden können. Beim Aufheizen der Proben findet ein struktureller Phasenübergang statt, bei dem die polare Textur verschwindet. Beim Abkühlen auf Raumtemperatur bildet sich auch die polare Textur wieder.
Rolle der mechanischen Spannung
Eine Phasenfeldmodellierung (Gruppe um Prof. Long Qing Chen, Pennsylvania State University, USA) zeigt, wie die BaTiO₃- und SrTiO₃-Schichten durch elektrostatische Kräfte und mechanische Spannung miteinander gekoppelt sind. Die Modellierung erklärt auch, in welche Richtung sich die Wirbelröhren in BaTiO3 ausrichten und gibt Einblicke in die Entwicklung des polaren Texturmusters in Abhängigkeit von der Spannung.
„Unsere Arbeit ist die erste Realisierung periodisch geordneter Wirbel in BaTiO3-Übergittern auf Silizium. Tatsächlich ist Silizium der Schlüssel, da es die notwendige mechanische Spannung bereitstellt, um dieses Wirbelmuster hervorzurufen“, sagt Doktorand Valentin Hevelke, Erstautor der Studie.
Mehr Kandidaten
„Unsere Ergebnisse erweitern die bekannten Material- und Substratplattformen, auf denen polare topologische Texturen auftreten können, und eröffnen neue Möglichkeiten für die Integration komplexer ferroelektrischer Zustände in siliziumbasierte Technologien“, sagt Catherine Dubourdieu.
Anmerkung: Diese Arbeit wurde durch den ERC Advanced Grant LUCIOLE finanziert.
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