Perowskite, Materialien mit einer Kristallstruktur, die der des Minerals Calciumtitanat CaTiO₃ ähnelt, weisen Eigenschaften auf, die für die Entwicklung verschiedener Technologien von Vorteil sind. Sie haben sich beispielsweise bei der Entwicklung von Photovoltaikanlagen (PV) und elektronischen Geräten als vielversprechend erwiesen.
Perowskite sind auch ideale Materialien zur Erforschung einer Vielzahl von Quantenzuständen, einschließlich Orbitalordnung, Magnetismus und Supraleitung. Darüber hinaus können Physiker diese Materialien sorgfältig konstruieren, um verschiedene einstellbare Eigenschaften freizuschalten, die typischerweise aus geringfügigen Abweichungen von der kubischen Perowskitstruktur resultieren.
Diese Abweichungen zu erkennen und zu kontrollieren, um bestimmte Eigenschaften zu erreichen, kann eine große Herausforderung sein. In einem aktuellen Artikel veröffentlicht In NaturphysikForscher des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung stellten eine vielversprechende Strategie zur Realisierung subtiler atomarer Verschiebungen im Vanadat-Perowskit YVO3 vor.
„Ziel unserer jüngsten Studie war es, ein grundlegendes Verständnis dafür zu erlangen, wie sich die funktionellen Eigenschaften eines kristallinen Materials ändern, wenn es als dünner Film orientiert auf verschiedenen Facetten eines anderen Kristalls aufgewachsen wird und dabei Parameter wie Gitter und Polarität kontrolliert werden.“ „Die Diskrepanz zum Film bleibt nahezu unverändert“, sagte Eva Benckiser, leitende Autorin des Artikels, gegenüber Phys.org.
Um leichte Atomverschiebungen gezielt in den antiferromagnetischen Mott-Isolator YVO3 einzuprägen, haben die Forscher epitaktische Filme auf verschiedenen Facetten desselben Substrats abgeschieden. Insbesondere beobachteten sie, dass die Vanadatfilme auf verschiedenen Facetten des Substrats unterschiedliche Spin-Orbital-Ordnungsmuster aufwiesen.
„Bei Materialien mit starken Elektron-Elektron-Korrelationen, wie dem Perowskit-Vanadat YVO3, reagieren die physikalischen Eigenschaften sehr empfindlich auf kleinste Strukturänderungen, wie sie beispielsweise an Grenzflächen auftreten, wenn Materialien mit unterschiedlichen Kristallgittern zusammenwachsen“, erklärt Benckiser.
„In der vorliegenden Arbeit haben wir zwei Schnitte eines orthorhombischen Substratmaterials, YAlO3, verwendet, deren Facetten im kubischen Referenzsystem nicht unterscheidbar sind und eine sehr ähnliche Gitterfehlanpassung wie YVO3 aufweisen.“
Die aktuelle Studie von Benckiser und ihren Kollegen zeigt, dass Substratfacetten genutzt werden könnten, um das Spin-Orbital-Verhalten von Perowskiten sorgfältig anzupassen. Erste Experimente unterstreichen das Versprechen ihres vorgeschlagenen Ansatzes, der schließlich zur Entwicklung neuer Materialien für verschiedene Technologien genutzt werden könnte.
„Unsere Lichtstreuexperimente zeigen, dass die magnetischen Ordnungsmuster je nach Substratfacette unterschiedlich sind und dass dies auf den subtilen Unterschied in den Atomverschiebungen zurückzuführen ist, die an der Substrat-Film-Grenzfläche eingeprägt sind“, sagte Benckiser. „Dieser grundlegende Effekt kann genutzt werden, um gewünschte Phasen in verschiedenen funktionellen Perowskit-Materialien zu stabilisieren, beispielsweise um neuartige spintronische Materialien zu schaffen.“
Die Forscher hoffen, dass ihre jüngste Arbeit zur präzisen Konstruktion von Quantenmaterialien beitragen und den Physikern einen alternativen Weg zur Manipulation ihrer Eigenschaften bieten wird. In der Zwischenzeit planen sie, den von ihnen entwickelten Ansatz weiter auszubauen und gleichzeitig zu untersuchen, inwieweit eingeprägte Verschiebungsmuster die Eigenschaften anderer Perowskite beeinflussen.
„In Zukunft planen wir, die Längenskala der eingeprägten orthorhombischen Verschiebungen detaillierter zu untersuchen und den Einfluss verschiedener Facetten in anderen funktionellen Perowskit-Dünnfilmen zu untersuchen“, fügte Benckiser hinzu.
Weitere Informationen:
Padma Radhakrishnan et al., Eingeprägte Atomverschiebungen steuern die Spin-Orbital-Ordnung in einem Vanadat-Perowskit, Naturphysik (2024). DOI: 10.1038/s41567-024-02686-8.
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