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News | 08-12-2020

Dynamik von ferroelektrischen Phasenübergängen - ein neuer Forschungsschwerpunkt am IKZ

WissenschaftlerInnen am Leibniz-Institut für Kristallzüchtung (IKZ) betreiben materialwissenschaftliche Grundlagenforschung an ferroelektrischen dünnen Filmen. Perspektivisch sollen mit den Materialien miniaturisierte Kühlschränke in elektronischen Komponenten aufgebaut werden.

Röntgenbeugungsmessung eines epitaktischen Dünnfilmsystems aus metallischem Strontiumruthenat auf ferroelektrischem Natriumniobat gewachsen auf einem Terbiumscandat Substrat.

In ferroelektrischen Materialien führt die Anordnung der Atome im Kristallgitter zu einer spontanen elektrischen Polarisation. Da die Polarisation im Allgemeinen stabil und unabhängig von äußeren Einflüssen ist, kann sie für verschiedene Anwendungen, z.B. zur Speicherung von Informationen verwendet werden. Diese ferroelektrische Ordnung bleibt nur unterhalb einer bestimmten Temperatur, der sog. Phasenübergangstemperatur, erhalten. Das System wird „unordentlich“, wenn das Material über diese Grenztemperatur hinaus erhitzt wird.

In der Thermodynamik sind die Begriffe „Ordnung“ und „Temperatur“ über die Innere Energie des Kristalls eng miteinander verknüpft. Bleibt die Innere Energie konstant, verringert eine Unordnung, z.B. durch den Verlust der Polarisation, die Temperatur eines Systems. Wird in dem Kristall aber eine Ordnung erzwungen, z.B. durch ein angelegtes elektrisches Feld, erhöht sich damit auch die Temperatur. Die gegenseitige Abhängigkeit von Ordnung bzw. Entropie und Temperatur führt dazu, dass beide Größen während des Phasenübergangs eines Kristalls nur ungenau zu bestimmen sind.

Die Arbeitsgruppe Röntgenoptik um Dr. Peter Gaal untersucht die Dynamik von Phasenübergängen, um die treibenden Kräfte hinter diesem Wechselspiel besser zu verstehen. Dabei nutzen die Forscher die Methode der zeitaufgelösten Röntgenbeugung, um den transienten Zustand des Kristalls während des Phasenübergangs zu beleuchten: Ein kurzer Lichtpuls aus einem Laser wird in der zu untersuchenden Probe absorbiert und erwärmt das Kristallgitter über die Phasenübergangstemperatur. Mit einem zeitlich verzögerten Röntgenstrahl können die Forscher gleichzeitig die kristalline Ordnung abbilden.

Im Sommer wurden erste Messungen an Kalium-Natrium-Niobat mit dieser Methode durchgeführt. Die Proben wurden in der Arbeitsgruppe um Dr. Jutta Schwarzkopf am IKZ maßgeschneidert für das Experiment angefertigt. „Die Kombination aus Herstellung und Charakterisierung neuer Materialien unter einem Dach ist eine wichtige Voraussetzung für den Erfolg unserer Forschung“, sagt Dr Peter Gaal.

Zukünftig soll mit ferroelektrischen dünnen Filmen eine aktive Kühlung für integrierte elektronische Bauteile, z.B. Computerchips, aufgebaut werden. Ein tiefes Verständnis der Thermodynamik von ferroelektrischen Phasenübergängen ist dafür eine wichtige Voraussetzung. Die Arbeitsgruppe Röntgenoptik am IKZ startet dazu im neuen Jahr ein von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördertes Forschungsprojekt in Kooperation mit dem Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung in Dresden. Das Projekt wird hauptsächlich am IKZ-DESY Joint Lab in Hamburg durchgeführt.