Elektrischer Speicher in Nanogrösse dank Ferroelektrika?

Heutige elektronische Ger?te wie Computer oder Smartphones beruhen auf zwei physikalischen Grundbestandteilen: elektrische Materialien, die Informationen verarbeiten, und magnetische Materialien, die diese speichern. Die magnetische Datenspeicherung braucht jedoch ordentlich Energie, da sie Magnetfelder ben?tigt, die von vergleichsweise grossen Magneten erzeugt werden. Im Gegensatz dazu ben?tigt die Erzeugung von elektrischen Feldern viel weniger Energie. Ein elektrischer Speicher k?nnte den Energiebedarf zuk¨¹nftiger elektronischer Ger?te drastisch senken.

Deshalb erforschen Marie-Curie-Stipendiatin Chiara Gattinoni und ihre Kolleginnen in der Materialtheorie-Gruppe von ETH-Professorin Nicola Spaldin sogenannte Ferroelektrika. Die Materialtheoretikerinnen wollen neue Materialien mit Funktionalit?ten entwickeln, die es noch nicht gibt. Dabei sind Ferroelektrika besonders interessant, weil sie eine spezielle Eigenschaft besitzen: eine ihnen innewohnende elektrische Polarisation, die sich durch ein ?usseres elektrisches Feld umkehren l?sst.

Bin?r wie die 0 und 1 eines Bits

Das Problem d¨¹nner Schichten aufsp¨¹ren

Zu diesem Zweck f¨¹hrten Gattinoni und Kolleginnen mit dem Supercomputer ?Piz Daint? am CSCS sogenannte Dichtefunktionaltheorie-Berechnungen durch. Die Wissenschaftlerinnen untersuchten sehr d¨¹nne Filme, die geringf¨¹gig dicker oder d¨¹nner als sieben Kristalleinheitszellen waren. Danach verglichen die Forschenden die rechnerisch erzielten Ergebnisse mit Experimenten, die andere Mitarbeitende des Labors f¨¹r Ferroische Materialien der ETH Z¨¹rich an einem Film aus Bleititanat (PbTiO3) ¨C einem typischen, gut herstellbaren ferroelektrischen Material ¨C auf einem Strontiumruthenat-Metallwaver durchgef¨¹hrt hatten. Die kombinierten Ergebnisse erlauben nun Einblicke in m?gliche Ursachen der unterdr¨¹ckten Polarisation.

Zwei bekannte Ph?nomene tragen zum Verlust der Polarisation bei: Das eine ist das sogenannte depolarisierende Feld, das durch entgegengesetzte Ladungen auf den gegen¨¹berliegenden Oberfl?chen des Materials entsteht ¨C eine nat¨¹rliche Folge von dessen Dipolmoment. Diese Ladungen erzeugen ein elektrisches Feld, das der Richtung der ferroelektrischen Polarisation genau entgegengesetzt ist. Je d¨¹nner die Folie ist, desto n?her kommen sich diese entgegengesetzten Ladungen und desto st?rker wird darum auch dieses zerst?rerische depolarisierende Feld.

Das zweite Ph?nomen ergibt sich aus der Instabilit?t der Oberfl?chenladungen an sich. ?In der Praxis muss das System einen Weg finden, die Oberfl?chenladungen zu kompensieren, um die ferroelektrischen Eigenschaften zu erhalten?, erkl?rt Gattinoni. Ihre Berechnungen am Supercomputer zeigen einen Weg auf, wie dies auch in d¨¹nnen Filmen erreicht werden kann.

Richtig d¨¹nn werden

Zun?chst fand Gattinoni heraus, dass entgegen fr¨¹herer Annahmen die chemische Bindung an der Grenzfl?che zwischen dem Ferroelektrikum und dem darunterliegenden Metall ¨C in diesem Fall die Strontiumruthenat-Schicht ¨C die Aufrechterhaltung der Polarisation kaum beeinflusst. Stattdessen spielen die elektronische Struktur und damit die elektrostatischen Eigenschaften des Ferroelektrikums und der Metallschicht die dominierende Rolle im System. ?Das bedeutet, dass wir die elektrostatischen Eigenschaften ver?ndern m¨¹ssen, um die Polarisation zu kontrollieren, anstatt uns auf die chemischen Bindungen zu konzentrieren?, sagt Gattinoni.

Ihre Berechnungen gaben auch Hinweise darauf, wo solche Modifikationen den gr?ssten Effekt auf den Ladungsausgleich haben w¨¹rden. Demnach spielen Ladungsverschiebungen an der Grenzfl?che zwischen dem Ferroelektrikum und dem Metall nur eine geringe Rolle. Bislang hatte man angenommen, dass diese entscheidend sind. Modifikationen an der Oberfl?che der Ferroelektrika erwiesen sich hingegen als deutlich effektiver. Beispielsweise lassen sich gezielt Defekte in die Struktur einbringen, die elektrische Ladungen adsorbieren, oder aber die Atmosph?re eines Bauelements wird mit bestimmten, ladungsadsorbierenden Molek¨¹len angereichert. ?Mit beiden Methoden l?sst sich die Polarisation auch sehr d¨¹nner ferroelektrischer Filme stabilisieren?, sagt Gattinoni.

Das magische Material