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Prof. Dr. Matthieu Le Tacon
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KIT Campus Nord
Gebäude 425

21.11.2017

Termine

Dünne Schichten und Grenzflächen

Leiter: Dr. Rudolf Schneider

Dünne Schichten und Grenzflächen elektronisch korrelierter Materialien zeigen in vielen Fällen neue und ungewöhnliche Eigenschaften, die sich von denen des Volumenmaterials deutlich unterscheiden. Unsere Arbeiten konzentrieren sich aktuell auf die neuartigen, unkonventionellen eisenhaltigen Supraleiter, dotierte und undotierte Kobaltate mit Perowskit-Struktur und Grenzflächen mit einem zweidimensionalen Elektronengas zwischen oxidischen Isolatoren. Die wichtigsten Fragen betreffen den Supraleiter-Isolator-Phasenübergang in ungeordneten FeSe-Schichten, den magnetischen Austausch in epitaktisch verspannten Kobaltat-Schichten und den Einfluss von Verspannung und Druck auf das zweidimensionale Elektronengas an der Grenzfläche oxidischer Heterostrukturen.

Zur Schichtpräparation setzen wir die Methoden der Kathodenzerstäubung und Laserablation ein. Die Analyse der Schichten umfasst Oberflächenstruktur, kristallographische Eigenschaften, Mikrostruktur, Magnetismus, elektronische Struktur und elektronischen Transport. Die Untersuchungen werden in enger Zusammenarbeit mit anderen Arbeitsgruppen des IFP und anderen Instituten des KIT durchgeführt.

Gepulste Laserdeposition (PLD) von Übergangsmetalloxiden

Neuere Veröffentlichungen
Toward new gas-analytical multisensor chips based on titanium oxide nanotube array
F. Fedorov, M. Vasilkov M, A. Lashkov, A. Varezhnikov, D. Fuchs, C. Kübel,
M. Bruns, M. Sommer, V. Sysoev
Sci. Rep. 7 (2017) 9732.
Applying Capacitive Energy Storage for In Situ Manipulation of Magnetization in Ordered Mesoporous Perovskite-Type LSMO Thin Films
C. Reitz, Di Wang, D. Stoeckel, A. Beck, T. Leichtweiss, H. Hahn, T. Brezesinski
ACS Appl. Mater. Interfaces 9 (2017) 22799.
Anisotropic electronic transport of the two-dimensional electron system in Al2O3/SrTiO3 heterostructures
K. Wolff, R. Schaefer, M. Meffert, D. Gerthsen, R. Schneider, D. Fuchs
Phys. Rev. B 95 (2017) 245132.
Size-induced changes of structural and ferromagnetic properties in La1-xSrxMnO3 Nanoparticles
C. Hintze, D. Fuchs, M. Merz, M. Amari, C. Kuebel, M.-J. Huang, A. Powell,
H.v.Loehneysen
J. Appl. Phys. 121 (2017) 214303.

Magnetische Austauschwechselwirkung in Übergangsmetalloxiden

Während LaCoO3 in Volumenproben bei tiefen Temperaturen unmagnetisch ist, zeigen epitaktische dünne Schichten aus verspanntem LaCoO3, elektronendotiertem La0.7Ce0.3CoO3 und lochdotiertem La0.7Sr0.3CoO3 ferromagnetische Ordnung mit Curie-Temperaturen TC von 84 K, 23 K und 194 K. Mit Nahkanten-Röntgenabsorptionsspektroskiopie gelang es, die Ursache für das Auftreten magnetischer Momente und den Mechanismus des Ferromagnetismus zu klären. Für den Ferromagnetismus in LaCoO3 ist der Austausch zwischen Co3+-"high-spin" (HS)- und Co3+-"low-spin" (LS)-Zuständen verantwortlich. Für La0.7Ce0.3CoO3 sind die Co3+-Ionen in einem LS-Zustand und die Spin- und Bahn-Momente werden hauptsächlich durch eine Co2+-Konfiguration festgelegt. Eine Spin-Blockade erklärt die niedrige Curie-Temperatur und das isolierende Verhalten von La0.7Ce0.3CoO3. In La0.7Sr0.3CoO3-Schichten dagegen stammen die magnetischen Momente von HS-Co3+- und HS-Co4+-Zuständen. Ferromagnetismus wird durch t2g-Doppelaustausch zwischen zwei HS-Konfigurationen hervorgerufen. Dies ist ein deutlicher Unterschied zu den Manganaten, in denen der Doppelaustausch über eg-Orbitale erfolgt. In Zukunft soll der Einfluss von Substitutionen des Co-Ions auf den magnetischen Austausch in den perowskitischen Kobaltaten untersucht werden.

Curie-Temperatur TC von epitaktisch verspannten LaCoO3-Filmen auf verschiedenen Substraten aufgetragen als Funktion der Gitterkonstante in der Filmebene.

Röntgenabsorptionsmessungen an (001)-orientierten La0.7Sr0.3CoO3 Schichten, die zur epitaktischen Verspannung auf LaAlO3 (LAO), La0.7Sr0.3Al0.65Ta0.35O3 (LSAT), MgO (MO) und SrTiO3 (STO) Substraten deponiert wurden. Die Absorption an der Co-L2,3-Kante zeigt einen dominanten Co-"high-spin"-Zustand und der magnetische zirkular Dichroismus (XMCD) eine magnetische Kopplung über Co-3d-t2g Niveaus.


Ausgewählte Veröffentlichungen

  • Double exchange via t2g orbitals and Jahn-Teller effect in ferromagnetic La0.7Sr0.3CoO3 probed by epitaxial strain
    D. Fuchs, M. Merz, P. Nagel, R. Schneider, S. Schuppler, H. v. Löhneysen
    Phys. Rev. Lett. 111 (2013) 257203.
  • X-Ray Absorption and Magnetic Circular Dichroism of LaCoO3, La0.7Ce0.3CoO3, and La0.7Sr0.3CoO3 Films: Evidence for Cobalt-Valence-Dependent Magnetism
    M. Merz, P. Nagel, C. Pinta, A. Samartsev, H. v. Löhneysen, M. Wissinger, S. Uebe,
    A. Assmann, D. Fuchs, S. Schuppler
    Phys. Rev. B 82 (2010) 174416.
  • Tuning the magnetic properties of LaCoO3 thin films by epitaxial strain
    D. Fuchs, E. Arac, C. Pinta, S. Schuppler, R. Schneider, and H. v. Löhneysen
    Phys. Rev. B 77 (2008) 14434.
  • Ferromagnetic order in epitaxially strained LaCoO3 thin films
    D. Fuchs, C. Pinta, T. Schwarz, P. Schweiss, P. Nagel, S. Schuppler, R. Schneider, M. Merz, G. Roth, and H. v. Löhneysen
    Phys. Rev. B 75 (2007) 144402.

Elektronischer Transport an der Grenzfläche oxidischer Heterostrukturen

Neuere technische Fortschritte in der Technologie dünner Schichten, vor allem in der gepulsten Laserablation ermöglichen komplexe Heterostrukturen aus epitaktischen Oxidschichten herzustellen, wie zum Beispiel Multilagen und Übergitter aus Oxiden mit Perowskitstruktur. Wie bei Halbleitern können auch in oxidischen Heterostrukturen an den Grenzflächen durch das subtile Zusammenspiel zwischen Spin-, Ladungs-, Gitter-, und Bahn-Freiheitsgraden neue Quantenzustände in diesen kompexen Materialien entstehen.

Seit den Pionierarbeiten von Hwang (Nature 427 (2004) 423) sowie Mannhart und Triscone (Science 317 (2007) 1196) ist das Interesse an der Grenzfläche zwischen den beiden Isolatormaterialien LaAlO3 (LAO) und SrTiO3 (STO) stark angewachsen: An dieser Grenzfläche wird metallisches Verhalten und sogar Supraleitung beobachtet. Die elektronische Transporteigenschaften in der Grenzfläche von LAO/STO-Heterostrukturen hängen sehr empfindlich vom Sauerstoff-Partialdruck während des Schichtwachstums ab. Neben der räumlichen Beschränkung der quasi-zweidimensionalen Elektronenflüssigkeit sollten die Transporteigenschaften auch durch externen Druck auf die Heterostruktur beeinflusst werden. Deshalb sind Transportmessungen unter hydrostatischem Druck geplant. In einer ergänzenden Arbeit werden epitaktisch verspannte LAO/STO-Heterostrukturen untersucht.

(a) Grenzflächenstruktur von CaCuO2 auf NdO-terminiertem NdGaO3. (b) HAADF-STEM Querschnittsaufnahme einer mittels PLD präparierten CaCuO2/NdGaO3 Grenzfläche. (c) Elementabfolge (Intensitätsscan) entlang der gestrichelten Linie in (b) vor und nach Untergrundkorrektur.


Ausgewählte Veröffentlichungen

  • Growth and Interfacial Properties of Epitaxial CaCuO2 Thin Films
    D. Fuchs, P. Müller, A. Sleem, R. Schneider, D. Gerthsen, H.v.Löhneysen
    J. Appl. Phys. 112 (2012) 103529.

Supraleiter-Isolator-Phasenübergang in ungeordneten FeSe-Schichten

Der Supraleiter-Isolator-Übergang ist ein Musterbeispiel eines Quantenphasenübergangs. Obwohl bereits viele experimentelle und theoretische Arbeiten zu diesem Übergang vorliegen, existiert bis heute keine allgemein anerkannte Theorie. Viele Fragen sind noch offen, wie zum Beispiel: Zu welchen Universalitätsklassen gehören die verschiedenen Typen von Übergängen? Existiert im Phasendiagramm eine metallische Phase zwischen Supraleiter und Isolator? Warum ist der isolierende Zustand so ungewöhnlich? Gibt es eine Verbindung zu anderen zweidimensionalen Quantenphasenübergängen wie Metall-Isolator- oder Quanten-Hall-Übergängen?

Aufgrund ihrer Lagenstruktur und Widerstandsanisotropie sind dünne texturierte Schichten des neuartigen unkonventionellen Supraleiters FeSe mit einer Sprungtemperatur von 8 K geeignet, den zweidimensionalen elektronischen Transport zu untersuchen und einen möglichen Supraleiter-Isolator-Übergang zu beobachten, der durch eine extreme Empfindlichkeit der elektronischen Transporteigenschaften gegenüber Unordnung hervorgerufen wird. Durch Reduktion der Schichtdicke wird die Unordnung erhöht. Eine Skalenanalyse des Flächenwiderstandes im kritischen Bereich nach dem Modell der Lokalisierung von Bosonen ergibt ein Produkt zν = 2.33 des Exponenten der Korrelationslänge und des dynamischen kritischen Exponenten, das mit der Vorhersage eines Quantenperkolationsübergangs verträglich ist. Die Resultate werden bestätigt, wenn für eine Schicht nahe am Übergang ein externes Magnetfeld als Kontrollparameter gewählt wird. Es ist bemerkenswert, dass sich die Übergänge trotz unterschiedlicher Kontrollparameter in der gleichen Universalitätsklasse der Quantenperkolation befinden. Zu dieser Universalitätsklasse gehören beispielsweise auch die Plateauübergänge zwischen Quanten-Hall-Flüssigkeiten. Supraleiter-Isolator-Übergänge, die durch verschiedene Kontrollparameter wie Unordnung, Magnetfeld oder Ladungsträgerdichte induziert werden, gehören im Allgemeinen zu verschiedenen Universalitätsklassen. Die bisherigen Ergebnisse favorisieren das bosonische Bild des Supraleiter-Isolator-Übergangs in den ungeordneten FeSe-Schichten.

Skalenverhalten des zweidimensionalen FeSe Flächenwiderstandes Rs beim feldinduzierten Supraleiter-Isolator Quantenphasenübergang. Die Einfügung zeigt Rs(B)-Isothermen zur Bestimmung der kritischen Werte Rc und Bc (horizontale bzw. vertikale Pfeile).


Ausgewählte Veröffentlichungen


Mitarbeiter (in alphabetischer Reihenfolge)


Frühere Mitarbeiter

Dr. Markus Adam, Dr. Erhan Arac, Dr. Jochen Geerk, Dipl.-Phys. Cornelia Hintze, Thomas Kimpel, Dr. Gerhard Linker, Dr. Otto Meyer, Dr. Oswaldo Moran, Dr. Thorsten Schwarz, Dipl.-Phys. Ahmed Sleem, Dr. Markus Wissinger, et al.