Ungewöhnliche Materialeigenschaften wie Supraleitung, der Metall-Isolator-Übergang, der Riesenmagnetwiderstand, oder Ladungs- und Orbitalordnung in Oxiden beruhen auf einem komplexen Wechselspiel von Ladungs-, Spin-, Orbital- und Gitter-Freiheitsgraden. Geringfügige strukturelle Veränderungen durch die Variation von Temperatur, Druck oder chemischer Umgebung beeinflussen dieses Gleichgewicht und so die Materialeigenschaften. Die Feinabstimmung dieser Wechselwirkungen hat sich jedoch als schwierig erwiesen. Demgegenüber hat sich „Defect engineering“ durch Ionenbestrahlung, das zu Dehnungen und elektronischen Störungen führen kann, als eine leistungsfähige Technik zur Feinabstimmung unzugänglicher komplexer Phasen von Oxid-Dünnfilmen erwiesen.

Im von der DFG geförderten Projekt „3D-Strukturierung von dünnen Oxid-Mehrfachschichten mit dem Ionenstrahl“ (DFG 405595647, 2018-22) werden konkret die magnetischen, elektrischen und ferroischen Eigenschaften zum einen des Spinellsystems \(\mathrm{NiCo_2 O_4}\) und seiner Heterostruktur mit \(\mathrm{BiFeO_3}\) und zum anderen des Perowskitsystems \(\mathrm{Pr_x S_{1-x}MnO_3}\) auf \(\mathrm{SrTiO_3}\) durch Ionenbestrahlung moduliert. Durch die Verwendung von Lithographie und/oder fokussiertem Ionenstrahl kann 3D-Defekt-Engineering realisiert werden, wodurch die physikalischen Eigenschaften von maßgeschneidert werden können. Das Endziel ist es, eine solche abgestimmte Heterostruktur als Avenue für innovative Spintronik-Bauelemente zu untersuchen. Die AG Gemming unterstützt dies durch spinpolarisierte Dichtefunktionalrechnungen, aus denen auf optimale Bedingungen für die Bildung magnetischer Defekte und ihre Auswirkung auf die Eigenschaften der Schichten geschlossen wird. Sie kooperiert dabei mit den Gruppen von Dr. S. Zhou am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf und von Prof. Y.H. Chu in Taiwan. Die Gruppe von Prof. Chu an der National Chiao Tung Universität verfügt über große Erfahrung in der Herstellung epitaktischer Dünnschichten. Die Gruppe am HZDR hat bereits erfolgreich dünne Filme mit unterschiedlicher Ionen und Energien bestrahlt. Auch die Detailcharakterisierung struktureller, magnetischer und elektrischer Filmeigenschaften wird am HZDR durchgeführt. Das komplementäre Methodenspektrum der drei Gruppen kann so einen Pfad zu neuen Funktionalitäten von dünnen Oxid-Mehrfachschichten durch “3D-Strukturierung” erschließen.

Publikationen

• P. Pandey, Y. Bitla, M. Zschornak, M. Wang, C. Xu, J. Grenzer, D.C. Meyer, Y.Y. Chin, H.J. Lin, C.T. Chen, S. Gemming, M. Helm, Y.H. Chu, S. Zhou, Enhancing the magnetic moment of ferrimagnetic NiCo2O4 via ion irradiation driven oxygen vacancies, APL Materials 6, 066109 (2018).
• C. Ludt, E. Ovchinnikova, A. Kulikov, D. Novikov, S. Gemming, D.C. Meyer, M. Zschornak, Interactions of Ruddlesden-Popper phases and Migration-Induced Field-Stabilized Polar phase in Strontium Titanate, Crystals, 11, 693 (2021).