Ein essenzieller Baustein der technologischen Weiterentwicklung ist die Reduktion der Gr??e elektronischer Bauteile. Die bisher verwendeten Methoden zur Produktion von elektronischen Bauteilen und Schaltkreisen wird jedoch in naher Zukunft an ihre Grenzen sto?en. Daher widmen sich Forscher der Entdeckung und Entwicklung grundlegend neuer Konzepte zur Umsetzung elektronischer Kleinst-Bauteile.

Ferroelektrische Dom?nenw?nde als nanometerdünne leitf?hige Kabel

Als ferroelektrisch wird ein Material bezeichnet, wenn es eine spontane elektrische Polarisation aufweist. Diese Polarisation entsteht durch eine parallele Ausrichtung elektrischer Dipole. Ferroelektrische Materialien bestehen meist aus verschiedenen polaren Regionen, genannt Dom?nen, welche sich in der Orientierung ihrer Polarisation unterscheiden.

Dom?nenw?nde wiederum sind nanometerdünne, im Grunde genommen zweidimensionale Schnittstellen, die zwei benachbarten Dom?nen voneinander trennen. Seit einigen Jahren werden diese Dom?nenw?nde intensiv untersucht, da sie physikalische Eigenschaften aufweisen k?nnen, die in den Dom?nen verboten sind und weil sie in Zukunft zur Realisierung nanometergro?en elektronischen Komponenten beitragen k?nnen. Faszinierenderweise zeigen die Dom?nenw?nde in einigen oxidischen, isolierenden Ferroelektrika eine ungew?hnlich hohe Leitf?higkeit. Diese leitf?higen Dom?nenw?nde k?nnten in Zukunft beispielsweise als nanometerdünne leitf?hige Kabel in elektronischen Bauteilen Anwendung finden. Kristallographische Defekte und Sauerstofffehlstellen in diesen Oxiden erschweren jedoch deren m?gliche Anwendung.

Dom?nenw?nde in nicht-oxidischem Material

Forschungsgruppen unter der Leitung der Professoren István Kézsmárki (Universit?t Augsburg) und Manfred Fiebig (ETH Zürich) berichten in einer jüngst in Nature Communications publizierte Studie nun erstmals über die Entdeckten hochleitf?hige Dom?nenw?nde in einem nicht-oxidischen Material (GaV4S8) , d.h. in einem Material, das keine Sauerstoffatome enth?lt.

Obwohl der Volumenanteil der Dom?nenw?nde verschwindend klein ist, dominieren sie die gesamte Leitf?higkeit des Materials. Die Dom?nenw?nde zeigen faszinierende geometrische Anordnungen, die zu quasi-eindimensionalen leitf?higen Kan?len und zweidimensionalen gefalteten leitf?higen Fl?chen führen. Die zick-zack-f?rmigen Dom?nenw?nde zeigen zudem sowohl Kopf-zu-Kopf- als auch Fu?-zu-Fu?-Anordnungen der Polarisation in den angrenzenden Dom?nen. Dies k?nnte auf alternierende Kan?le mit Elektronen- und Lochleitf?higkeit, also Leitf?higkeit von negativ und positiv geladenen Ladungstr?gern, in unmittelbarer N?he hinweisen.

Vielversprechende Anwendungsm?glichkeiten

Die leitf?higen Dom?nenw?nde in diesem nicht-oxidischen Material zeigen einzigartiges Verhalten mit vielversprechenden Funktionalit?ten. Besonders hervorzuheben ist die starke ?nderung ihrer Leitf?higkeit unter Einwirkung eines Magnetfeldes und die M?glichkeit, die Dom?nenw?nde mit einem Magnetfeld zu bewegen und sogar ganz aus der Probe zu entfernen. Diese Annihilation der Dom?nenw?nde führt zu einer ?nderung des Widerstandes einer makroskopischen Probe um acht Gr??enordnungen.

?Diese bemerkenswerten Entdeckungen sollten dazu beitragen, die reichhaltige Physik von Dom?nenw?nden besser zu verstehen und k?nnten den Weg für die Nutzung von Dom?nenw?nden in zukünftigen elektronischen Bauelementen, wie beispielsweise nanometergro?en Datenspeicherelementen mit hoher Datankapazit?t, ebnen“, erkl?rt Somnath Ghara, der als Postdoktorandam Lehrstuhl für Experimentalphysik V an der Forschung beteiligt war.

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Publikation: Somnath Ghara, Korbinian Geirhos, Lukas Kuerten, Peter Lunkenheimer, Vladimir Tsurkan, Manfred Fiebig, István Kézsmárki, Giant conductivity of mobile non-oxide domain walls, Nature Communications 12, 3975 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-24160-2.