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Projekte

Verständnis und Kontrolle selbstorganisierter Streifenbildung in Vanadiumdioxid

Im Zuge der rasant fortschreitenden Erforschung oxidischer Materialien wurden spektakuläre Effekte wie Grenzflächensupraleitung, Magnetowiderstands- und elektrische Schaltphänomene entdeckt. Hierdurch eröffnete sich die technologische Perspektive der Oxidelektronik und -spintronik. Hierbei wurden, neben der Herstellung konventioneller Bauelementtypen in Anlehnung an ihre siliziumbasierten Vorgänger, auch gänzlich neuartige Funktionselemente erschaffen. Bei diesen Entwicklungen sind jedoch neben den Funktionsmaterialien selbst immer auch das Verständnis von Grenzflächeneigenschaften und die aufwändige, auf der Skala einzelner atomarer Lagen zu kontrollierende Präparation komplexer Heterostrukturen von entscheidender Wichtigkeit.Vanadiumdioxid (VO2) stellt wegen seines Metall-Isolator-Übergangs nahe Raumtemperatur ein Funktionsmaterial mit herausragenden technologischer Anwendungsperspektiven dar. Dieses Projekt behandelt Relaxationsmechanismen von VO2 unter epitaktischer Verspannung, welche zu komplexen Phasenseparationseffekten wie der selbstorganisierten Ausbildung von Streifenmustern aus isolierenden und metallischen Bereichen führen und somit auch zu intrinsischen Grenzflächen. Weiterhin geht dieses Projekt der Frage nach, inwiefern sich als Alternative zu komplexen Heterostrukturen auch intrinsische Grenzflächen nutzen lassen.Ausgehend von der verspannungsabhängigen Ausbildung selbstorganisierter Streifenmuster in einem komplexen Oxidmaterial werden diese auf mikroskopischer Skala untersucht, um ein tieferes fundamentales Verständnis ihrer physikalischen Beschaffenheit zu erlangen. Im Vordergrund stehen dabei der Einfluss der geometrischen Form auf die Stabilität derartiger Streifenmuster und ihre strukturellen und elektrischen Eigenschaften und deren Manipulation.Das Projekt zielt insbesondere auch auf die erstmalige Realisierung völlig neuartiger Konzepte für oxidelektronische Bauelemente ab. Hierbei wird die Ausbildung intrinsischer Grenzflächen durch geometrische Funktionalisierung gezielt kontrolliert; ihre Funktionalität beruht auf der anschließenden Manipulation derartiger Grenzflächen durch externe elektrische Felder. Durch die Verwendung moderner, komplementärer Mikroskopiemethoden und eine gezielte Strukturierung auf der Mikro- bis Nanometerskala werden so gleichzeitig Einblicke in die elektronischen und strukturellen Eigenschaften korrelierter Oxide gewonnen als auch innovative Bauelemente für zukünftige oxidelektronische Anwendungen entwickelt.

Tuning von Vanadiumdioxidschichten durch extreme Verspannung - lokale Untersuchung komplexer Übergangsphänomene und exotischer Phasen

Vanadiumdioxid ist ein korreliertes Oxid mit einem Metall-Isolator-Übergang bei etwa 340 K. Damit einher geht ein struktureller Übergang von der Rutilstruktur im metallischen Hochtemperaturzustand zu einer monoklinen Struktur im isolierenden Tieftemperaturzustand. Dabei lässt sich die Übergangstemperatur durch mechanische Verspannung in einem breiten Bereich variieren; auch kann der Übergang durch elektrische Felder getrieben werden. Darüberhinaus ist bekannt, dass bei Verspannung auch andere, exotische Phasen auftreten können. Insgesamt birgt Vanadiumdioxid damit ein großes Potential für Anwendungen z. B. in der Oxidelektronik, wofür diese Eigenschaften allerdings im Dünnschichtbereich gezielt kontrollier- und manipulierbar sein sollten.In diesem Projekt untersuchen wir simultan das Wachstum und die strukturellen sowie elektronischen Eigenschaften von Vanadiumdioxidfilmen auf Rutheniumdioxidoberflächen verschiedener Orientierung in situ mittels niederenergetischer Elektronenmikroskopie (LEEM). Hierbei machen wir uns zunutze, dass sich bei der Oxidation der Rutheniumoberfläche gleichzeitig Inseln verschiedener kristallographischer Orientierung ausbilden können, die bei anschließendem Vanadiumdioxidwachstum als Template fungieren. Die Gitterfehlanpassung der auf Rutheniumdioxid gewachsenen ultradünnen Vanadiumdioxidfilme stellt eine je nach Orientierung verschiedene und teilweise extreme Verspannung in Aussicht. Von dieser extremen Verspannung erwarten wir das Auftreten bisher nicht untersuchter exotischer Phasen sowie allgemein einen deutlich größeren Einstellbereich der Übergangstemperatur von Vanadiumdioxid. Wir werden die verschiedenen Phasen mittels LEEM und darauf aufbauenden lokalen Beugungs- und Spektroskopiemethoden sowie mit verwandten Synchrotrontechniken eingehend charakterisieren. Parallel streben wir mittels rastersondenmikroskopischer Methoden einzigartige Einblicke in kleinskalige Phasenseparationsphänomene an und untersuchen, bereits in Hinblick auf mögliche Anwendungen, auch den Einfluss elektrischer Felder. Zudem soll in einem weiteren Schritt durch den Einsatz von auf Saphirsubstraten sputter-deponierten Rutheniumfilmen eine größere technologische Relevanz erzielt werden.

LEEM-Aufnahme von Cer Oxid

Wachstum von Ceroxidorientierungen auf Cu(111) und Änderung des Oxidationszustandes mit CO2 und H2

Die Herstellung von Methanol als Treibstoff ist ein wichtiger Schritt zur Verringerung von CO2. Ein besonders aktiver Katalysator von Methanol ist Ceroxid auf Cu(111). Ceroxid kann in dem 4+ (CeO2) und dem 3+ (Ce2O3) Oxidationszustand auftreten. Die Sauerstofffehlstellen, die bei der Reduktion zum Oxidationszustand 3+ enstehen, ermöglichen die Herstellung von Methanol aus CO2 und H2. Die Reduktion kann thermisch, mit Methanol oder H2 durchgeführt werden.
Die (111)-Orientierung von Ceroxid ist bereits in vielen Experimenten untersucht worden, aber die (100)-Orientierung, die deutlich aktiver und schwieriger herzustellen ist, wurde bisher nur wenig untersucht. Verglichen werden die beiden Orientierungen hinsichtlich ihrer Reaktionen mit H2 und CO2 im niederenergetischen Elektronenmikroskop (low energy electron microscope, LEEM). Weiterhin werden Messungen am Synchrotron ELETTRA (Triest, Italien) an einem Photoemssionselektronenmikroskop (photo emission electron microscope, PEEM) durchgeführt, was weitere Methoden wie die Röntgenabsorptionsspektroskopie (x-ray absorption spectroscopy, XAS), die Röntgenphotoelektronenspektroskopie (x-ray photoelectron spectroscopy, XPS) und die resonante Photoemissionsspektroskopie (resonant photoemission spectroscopy, RPES) ermöglicht.

Aktualisiert von: t.rohbeck