Seltenerd-Materialien für magneto-optische Anwendungen

Werkstoffe 08. 10. 2023
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Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) fördert interdisziplinäres Projekt zu neuartigen Seltenerd-Materialien für magneto-optische Anwendungen

Seltenerd-Materialien sind sowohl für die grundlagenorientierte als auch die industrielle Forschung hochinteressant, da ihre einzigartigen physikalischen und chemischen Eigenschaften ein breites Anwendungsspektrum von der Solarforschung über opto-elektronische Bauelemente bis hin zum Opto-
Magnetismus bieten. So hat sich in den letzten Jahren gezeigt, dass ihre faszinierenden Eigenschaften auf der speziellen 4f-Elektronenschalenkonfiguration basieren, die sich erheblich auf das optische, magnetische und elektrische Verhalten auswirkt. Daher liegt in der Entwicklung von Seltenerd-Materialien ein enormes Potenzial, insbesondere im Hinblick auf moderne Technologien, wie der Quantensensorik und der Verarbeitung und Speicherung von Quanteninformationen. 

Ein von der DFG gefördertes interdisziplinäres und interuniversitäres Projekt zielt sowohl auf die Entwicklung von neuen Wachstumsprozessen für Seltenerd-Sulfide als auch auf die Entschlüsselung ihrer magneto-opto-
elastischen Eigenschaften ab. Die anspruchsvollen Forschungsfragen des Projekts werden durch die komplementären Expertisen von Prof. Dr. Dr. h. c. Anjana Devi (Chemie anorganischer Materialien, Ruhr-Universität Bochum) und Dr. Jörg Debus (Experimentelle Physik, Technische Universität Dortmund) beantwortet. Während Anjana Devi die Selten­erd-Sulfid-Schichten mit maßgeschneiderten Eigenschaften synthetisiert, untersucht Jörg Debus die magneto-optischen Phänomene mittels laserspektroskopischer Methoden. Die synergetische ­Kooperation von Anjana Devi und Jörg Debus, aus der ­bereits eine gemeinsame Veröffentlichung [1] in einem renommierten Journal hervorgegangen ist, wird wesentlich zum Verständnis der Molekülchemie und -physik von Selten­erdstrukturen und damit zu ihrem technologischen Erfolg beitragen.

Die Herausforderungen, die mit den derzeit begrenzten physikalisch-chemischen Eigenschaften der reaktiven Ausgangsmoleküle für die Seltenerd-Schichten verbunden sind, werden in dem Projekt zwischen den beiden Universitäten der Universitätsallianz Ruhr adressiert und durch einen rationalen Ansatz für das Schichtdesign verbessert. Neben der kristallographischen Struktur, Zusammensetzung und Morphologie der synthetisierten Seltenerd-Sulfid-Schichten, wird insbesondere die Schichtdicke bis hinunter in den Sub-Nanometerbereich skaliert, um zwei­dimensionale Seltenerdsulfide zu erzeugen.

Die Schichtdickenvariation ist eine wesentliche Stellschraube, die magneto-optischen und magneto-elastischen Eigenschaften der Seltenerdsulfide einzustellen. Dieses Maßschneidern erlaubt das Erforschen von optisch-hellen und optisch-dunklen elektronischen Übergängen sowie ihre Kopplung an ein äußeres Magnetfeld und an das Atomgitter, die mit sogenannten Magnon-Phonon-Wechselwirkungen einhergeht. Fortschrittliche Methoden der resonanten Laserspektroskopie, entwickelt in der experimentellen Physik 2 der TU Dortmund, kommen dabei zum Einsatz. Ein für magneto-optische Anwendungen besonders interessantes Phänomen ist die laserbasierte Erzeugung von kollektiven Zuständen mit einer riesigen Magnetisierung, die mehrere 1000-mal größer als die Magnetisierung des Ausgangsmaterials ist. Diese optisch-induzierten ferromagnetischen Zustände können für die quantenbasierte Informationsverarbeitung genutzt werden. Hierfür sollen ihre Formation, Mani­pulierbarkeit und zeitliche Stabilität untersucht werden.

Die neu entwickelten Seltenerdsulfide mit maßgeschneiderten funktionalen Eigenschaften in Kombination mit der resonanten Laserspektroskopie werden einen umfassenden Einblick in das Potenzial dieser Selten­erd-Materialien für opto-elektronische und magneto-optische Anwendungen geben. 

Literatur

[1] Beer, S.M.J., Muriqi, A., Lindner, P., Winter, M., Rogalla, D., Nolan, M., Ney, A., Debus, J., Devi, A.: Ferromagnetic Europium Sulfide Thin Films: Influence of Precursors on Magneto-Optical Properties; Chem. Mater. 34 (2022) 1, 152-164, https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.chemmater.1c02958

Text zum Titelbild: Anjana Devi und Jörg Debus freuen sich auf die Treffen zum Ideenaustausch und die gemeinsame interdisziplinäre Zusammenarbeit (Bild: TU Dortmund)

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