Die Entstehung von ferroischen Ordnungen im Flachland
Forschungsbericht (importiert) 2020 - Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik
Vor kurzem wurden zweidimensionale (2D) Ferroika entdeckt, die eine magnetische, ferroelektrische oder ferroelastische Ordnung aufweisen. Diese Materialien stoßen auf großes Interesse in der Forschungsgemeinschaft, sowohl wegen der neuartigen Physik, die sie beinhalten, als auch wegen ihres Potenzials für die Nanoelektronik der nächsten Generation. Unser Institut erforscht, synthetisiert und charakterisiert neuartige 2D-Ferroika mit dem Ziel, diese in innovativen energieeffizienten Geräten einzusetzen.
Der Bedarf an energieeffizienteren Rechnerstrukturen gewinnt in unserer Gesellschaft immer mehr an Bedeutung. Dies erfordert revolutionäre Ansätze, die über die heutige Silizium-Ära hinausgehen, und Bemühungen aus verschiedenen Forschungsbereichen: neue Materialien, Bauelemente und Architekturen.
Die wissenschaftliche Herausforderung
In diesem Zusammenhang werden 2D-Materialien eine primäre Rolle spielen. Sie sind nur ein oder wenige Atomlagen dick. Seit der Entdeckung von Graphen hat sich die Familie der 2D-Materialien kontinuierlich vergrößert. Dutzende von ihnen wurden synthetisiert und die Existenz von mehr als 1000 ist vorhergesagt. Diese Materialien besitzen wichtige Eigenschaften: Sie sind strukturell außergewöhnlich stark, gleichzeitig flexibel und leiten hervorragend sowohl Wärme als auch Elektrizität. Was sie weiter von konventionellen Metallen und Halbleitern unterscheidet, ist die Tatsache, dass sie sich vergleichsweise einfach übereinander stapeln lassen und dadurch sogenannte Van-der-Waals-Heterostrukturen erzeugt werden können. Es gibt also viele Möglichkeiten für die Konstruktion von Materialien mit neuartigen physikalischen Eigenschaften und Funktionalitäten.
Die jüngste experimentelle Beobachtung von mehreren unterschiedlichen ferroischen Ordnungen in verschiedenen 2D-Materialien hat ein explosionsartiges Interesse hervorgerufen: Sie weist das Vorhandensein einer intrinsischen spontanen Polarisation auf, die ferroelektrisch, ferromagnetisch oder ferroelastisch sein kann.
Ein Haupthindernis für die Nutzung von ferroischen 2D-Materialien besteht in den Mitteln zu ihrer Herstellung. In der überwältigenden Mehrheit der Studien werden 2D-Materialien durch mechanisches Abziehen hergestellt. Bei dieser Technik werden mit Hilfe von Klebeband einzelne atomare Schichten von der 3D-Ausgangsverbindung abgeschält. Diese Methode führt jedoch zu Filmen mit einer Größe von nur wenigen Mikrometern. Außerdem macht die Verwendung von 3D-Ausgangsverbindungen die Entdeckung völlig neuer 2D-Materialien weniger wahrscheinlich.
Unsere Ergebnisse
Unsere Arbeitsgruppe überwindet diese Einschränkungen durch die Synthese neuartiger 2D-Ferroika mittels Molekularstrahlepitaxie. Durch die Ausrichtung von Atomstrahlen verschiedener Elemente auf ein Substrat können 2D-Einkristalle im Wafer-Maßstab mit extrem hoher Qualität und Flexibilität erzeugt werden. Mit diesem Ansatz haben wir kürzlich ultradünne SnSe-Schichten mit kontrollierbaren Dicken von einer oder wenigen Monolagen synthetisiert. Diese dünnen Schichten weisen eine einzigartige Struktur auf, die sich vom Grundmaterial unterscheidet. Darüber hinaus zeigen sie Anti-Ferroelektrizität, und das bei Temperaturen, die weit über denen des ferroelektrischen Grundmaterials liegen [1].
Um den Ursprung dieses einzigartigen anti-ferroelektrischen Verhaltens zu verstehen, verwendeten wir einen neuen Ansatz in der Rastertunnelmikroskopie. Damit konnten wir anti-ferroelektrische Domänen mit einer bislang unerreichten räumlichen Auflösung und Empfindlichkeit visualisieren und manipulieren. Darüber hinaus konnten wir zeigen, dass die Struktur der SnSe-Schichten orthorhombisch ist, im Gegensatz zur kubischen Struktur der Grundmaterialien. Damit konnten wir die anti-ferroelektrischen Eigenschaften erklären. Tatsächlich weist jede SnSe-Monoschicht eine ferroelektrische Polarisation in einer Ebene auf, während die Polarisationen der aufeinanderfolgenden Schichten antiparallel sind.
Die Polarisation in der Schichtebene ist potentiell stabiler als diejenige vieler Materialien, die Ferroelektrizität außerhalb der Ebene aufweisen. Im letztgenannten Fall wird die spontane Polarisation durch ihr selbst-depolarisierendes Feld abgebaut, wodurch die Ordnungstemperatur auf kleine Werte reduziert wird. In unserer Studie haben wir herausgefunden, dass SnSe-Monoschichten bis weit über die Raumtemperatur hinaus ferroelektrisch bleiben, mit einer kritischen Ordnungstemperatur nahe 400 K. Das macht dieses Material technologisch sehr relevant. In diesem Zusammenhang konnten wir die kontrollierte Manipulation der ferroelektrischen Domänen nachweisen (Abbildung 1) – ein entscheidender Schritt in Richtung der Verwendung dieses neuen Materials in ultradünnen Bauelementen wie nichtflüchtigen Speicherelementen.
Abb. 1: (a) Polarisation (schwarzer Pfeil) in der Ebene in SnSe-Monolage. Gebundene Ladungen mit entgegengesetztem Vorzeichen treten an entgegengesetzten Kanten auf. (b) Kontrollierbares ferroelektrisches Schalten von ferroelektrischen SnSe-Domänen: Die Bilder repräsentieren eine ferroelektrische Schaltsequenz in einer SnSe-Monoschicht bei Raumtemperatur (aus [1]).
Wir arbeiten außerdem an anderen Klassen von 2D-Ferroika, zum Beispiel 2D-Magneten. Hier haben wir vor kurzem die Entstehung magnetischer Ordnung in einer Monoschicht CrCl3 gezeigt, bei der die Magnetisierung innerhalb der Schichtebene liegt. Diese Magnetisierungsrichtung hat tiefgreifende Auswirkungen. Alle anderen bisher bekannten 2D-Magnete weisen eine uniaxiale magnetische Anisotropie auf, die eine Anordnung ihrer Magnetisierung entlang einer Richtung senkrecht zur 2D-Ebene begünstigt. Dies bricht die isotrope Symmetrie und unterdrückt so den Effekt der thermischen Fluktuationen, was die Entstehung einer langreichweitigen magnetischen Ordnung begünstigt. Dies ist nicht der Fall für CrCl3, das die erste experimentelle Realisierung eines 2D-XY-Spin-Modells darstellt. Das ist ein bekanntes Modell in der statistischen Mechanik, bei dem die magnetische Ordnung nicht mit Symmetriebrechungen einhergeht, sondern mit der Entstehung von topologisch nicht-trivialen Objekten, die als Vortex-Antivortex-Paare bezeichnet werden. Das sind Spin-Strudel, die sich im oder gegen den Uhrzeigersinn drehen.
Ausblick
Unsere Entdeckungen stellen nur die Spitze des Eisbergs dar und zeigen das große Potenzial dieser Materialien für neue Technologien. Im Vergleich zu traditionellen Perowskit-Filmen bieten 2D-Ferroika zum Beispiel die Freiheit, Heterostrukturen ohne die Einschränkung der Gitteranpassung herzustellen. Wir denken, dass die Kombination von 2D-Ferroelektrika und 2D-Magneten in Heterostrukturen zur Schaffung künstlicher multiferroischer Materialien führen wird, bei denen die Magnetisierung durch ein elektrisches Feld gesteuert werden kann – ein lang ersehntes Ziel der Spintronik. Aufgrund der atomaren Dicke wären Betriebsspannungen von unter 100 meV möglich. Das würde einen Betrieb mit ultraniedrigem Energieverbrauch im Vergleich zu bestehenden Speichertechnologien ermöglichen..