Sandwiches aus Metalloxiden

Metalloxidschichten

Die Skizze zeigt den Aufbau der beiden Metalloxidschichten. Die interessanten neuen Eigenschaften zeigen sich genau an der Grenzfläche.

Eine französisch-deutsche Kooperation hat ein Schichtsystem aus Übergangsmetalloxiden an BESSY II untersucht. Dabei entdeckten die Wissenschaftler eine neue Möglichkeit, Eigenschaften der Grenzfläche gezielt zu verändern. Damit könnte man neue Formen der Hochtemperatur-Supraleitung erzeugen.

Sogenannte Sandwich-Systeme aus dünnen Schichten von Übergangsmetalloxiden zeigen oft überraschende Eigenschaften an den Grenzflächen. Das Paradebeispiel ist eine Doppelschicht aus Lanthan-Aluminat (LaAlO3) und Strontium-Titanat (SrTiO3): Während  die beiden Oxid-Schichten im Inneren des Materials elektrisch isolierend und unmagnetisch sind, beobachtet man an der Grenzfläche der beiden Schichten Ferromagnetismus, hohe Leitfähigkeit und unter bestimmten Bedingungen sogar Supraleitung. Nun hat ein Team um Dr. Manuel Bibes vom CNRS in Thales, Frankreich, gemeinsam mit internationalen Partnern einen neuen Ansatz gefunden, um die Eigenschaften von Grenzflächen gezielt zu steuern. Zusammen mit Dr. Sergio Valencia und weiteren Wissenschaftlern vom HZB konzipierten sie eine Versuchsreihe an BESSY II, um mehr darüber zu erfahren, wie sich die Materialeigenschaften ändern. Dabei entdeckten sie eine Möglichkeit, wie man diesen Prozess steuern kann.

Seltene-Erd-Elemente verändern den Ladungstransfer

Das Team um Manuel Bibes stellte zunächst Doppelschichten aus extrem dünnen Metalloxid-Filmen her, einen Gadolinium-Titanat (GdTiO3)-Film und einen „R“-Nickelat (RNiO3)-Film, wobei „R“ ein Element aus der Gruppe der Seltenen Erden ist. „Es ist uns damit gelungen, zwei sehr unterschiedliche Übergangsmetalloxide zu kombinieren. Während in der chemischen Bindung der Titanat-Schicht die Elektronen stark um die Ionen lokalisiert sind, sind sie in der Nickelat-Schicht im Rahmen kovalenter Bindungen zwischen den Sauerstoff- und Nickel-Ionen verteilt“, erklärt Manuel Bibes. An der Grenzfläche wandern daher einige Ladungsträger aus der Titanat- in die Nickelat-Schicht. Diesen Prozess untersuchten die Wissenschaftler anhand von Proben mit unterschiedlichen Elementen der Seltenen Erden: Lanthan, Neodym und Samarium. An BESSY II konnten sie nun erstmals beobachten, dass der Ladungstransfer zwischen den beiden Schichten vom Seltene-Erd-Element in der Nickelat-Schicht abhängt. Die unterschiedlichen Elemente der Seltenen Erden besitzen verschiedene Atomradien. Dies beeinflusst die Wechselwirkungen zwischen den Nickel- und Sauerstoff-Atomen und damit auch die sogenannte Kovalenz und ihren Anteil an der chemischen Bindung. Dies ist soweit bekannt; aber die Wissenschaftler konnten nun erstmals beobachten, dass sich die Stärke der Kovalenz wiederum auf den Ladungstransfer von der Titanat- in die Nickelat-Schicht auswirkt. „Das ist das wichtigste Ergebnis“, sagt Valencia. „Wir haben damit entdeckt, wie wir die chemische Bindung beeinflussen können, um den Ladungstransfer zu steuern.“

Ferromagnetismus beobachtet, Supraleitung erhofft

Über diesen Mechanismus könnte man beeinflussen, wie sich neue Phasen an den Grenzflächen ausbilden, zum Beispiel der Ferromagnetismus, der in dem jetzigen Experiment beobachtet wurde. „Vielleicht können wir so auch eine unkonventionelle Supraleitung  finden, die man in Analogie zu Kupraten auch in solchen Nickelat-Heterostrukturen vermutet“, berichtet Valencia. „Wir hoffen, dass diese Arbeit dazu beitragen wird, bessere Grenzflächen zu entwickeln, an denen neue aufregende Phasen der Materie gezielt erzeugt und untersucht werden können“, ergänzt Bibes.

Nature Physics, 12, 484-492 (DOI: 10.1038/nphys3627): Hybridizationcontrolled charge transfer and induced magnetism at correlated oxide interfaces; M. N. Grisolia, J. Varignon, G. Sanchez-Santolino, A. Arora, S. Valencia, M. Varela, R. Abrudan, E.Weschke, E. Schierle, J. E. Rault, J.-P. Rueff, A. Barthélémy, J. Santamaria and M. Bibes