Abb.1: Schema eines ferroelektrischen Tunnelkontaktes sowie drei mögliche Effekte, die den Tunnelstrom durch die ferroelektrischen Eigenschaften der Barriere beeinflussen können

THROUGH THE BARRICADES - SPANDAU BALLET - 1986

Kurzdarstellung

Epitaktische,  oxidische  Materialien haben sich in den vergangenen Jahren als eines der aktivsten Forschungsgebiete in der Festköperphysik etabliert.  Typische Vertreter dieser Materialien sind  LaxSr1-xMnO3, SrRuO3, BaTiO3, PbZrxTi1-xO3 YBa2Cu3O7 , SrBiTaO9, LiNbO3, LiTaO3 etc.. Ausschlaggebend hierfür war die Möglichkeit Grenzflächen auf atomarer Ebene zu kontrollieren. Hier weiterlesen

Durch eine immer detaillierte theoretische Beschreibung der Materialien und Heterostrukturen durch die Landau-Theorie und „first principles“, sowie durch bahnbrechende Entwicklung in der Grenzflächen- und Oberflächenanalytik hat sich das Forschungsfeld der komplexen Oxide rasant fortentwickelt. Die vielfältigen Eigenschaften dieser Materialien und Grenzflächen bilden ein nahezu unbegrenztes Forschungsgebiet und bieten eine breite Palette an Anwendungsmöglichkeiten, die z. B. von neuartigen, ultraempfindlichen Sensoren, Aktuatoren bis hin zu neuen, nicht-flüchtigen RAM (Random Access Memories) Speichern reicht.

Unsere Arbeitsgruppe hat 1999 begonnen das Wechselspiel zwischen dem quantenmechanischen Tunnelprozess und Ferroelektrizität in Tunnelbarrieren zu untersuchen. Hierbei wurde der Begriff „Ferroelectric Tunnel Junction - FTJ“ als Bezeichnung des Bauelementes erstmalig gewählt. In Abbildung 1 ist schematisch ein ferroelektrischer Tunnelkontakt auf der linken Seite gezeigt. Der Tunnelstrom kann in verschiedener Art und Weise von den physikalischen Eigenschaften der ferroelektrischen Barriere abhängen. Zusammenfassend sind die drei wesentlichen Mechanismen in Abbildung 1 dargestellt. Das depolarisierende elektrische Feld in der Tunnelbarriere, der inverse piezoelektrische Effekt sowie Grenzflächen-Effekte können den Tunnelstrom durch die Barriere beeinflussen. Da diese Effekte vom Polarisationszustand der ferroelektrischen Barriere abhängen sind interessante neue Effekte zu erwarten. In der Tat konnte gezeigt werden, dass auf der Basis von FTJs, resistive , nicht-flüchtige RAM Speicher gebaut werden können.

Mehr noch durch die Verwendung ferromagnetischer bzw. supraleitender  Elektro-den oder auch multiferroischer Tunnelbarrieren entsteht derzeit ein neuer „Zoo“ von Tunnelkontakten.

In Abbildung 2 sind mögliche Varianten gezeigt. Eine Fülle interessanter Bauelemente entsteht und kann dabei zu neuen physikalischen Effekten führen. Bei der Verwendung von FM/FE/FM Heterostrukturen wurde z. B. ein neuer magneto-elektrischer Grenzflächeneffekt vorhergesagt und wenig später experimentell nachgewiesen. Multibit-Speicherelemente rücken damit in greifbare Nähe. 

Wir realisieren die ferroelektrischen und multiferroischen  Bauelemente durch dünnschichttechnologische Methoden.  Abgeschieden werden die Oxidschichten unter Verwendung der gepulsten Laser-Deposition (PLD) bzw. der Sputtertechnik. Die Strukturierung erfolgt durch optische Lithographie und Ionenstrahlätzen.

Abb. 2: Neue Materialkombination für Tunnelkontakte