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Donnerstag, 25.05.2017
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Wie Domänen Farbe bekommen

Forscher erzeugen einmalige Bilder mithilfe eines Freie-Elektronen-Lasers

Ferromagnetische Materialien wie Eisen kennt jeder, ferroelektrische dagegen sind nur Spezialisten vertraut. Ihre Besonderheit: Sie besitzen dauerhafte elektrische Felder und haben deshalb für die Datenspeicherung und die Piezoelektronik enorme Bedeutung. Dresdner Forschern sind nun mithilfe des Freie-Elektronen-Lasers am Rossendorfer Beschleuniger ELBE einmalige Bilder von so genannten ferroelektrischen Domänen gelungen.
Elektrische Domänen

Elektrische Domänen

Dabei handelt es sich um winzig kleine Bezirke, in denen sich positive und negative elektrische Ladungen organisieren, die bei den ferroelektrischen Materialien die Rolle von Nord- und Südpol bei einem Magneten einnehmen. Die Wissenschaftler berichten über ihre Ergebnisse in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“.

Verhalten von elektrischen Dipolen untersucht


Die Forscher um Professor Lukas M. Eng von der Technischen Universität Dresden interessieren sich für das Verhalten von elektrischen Dipolen in ferroelektrischen und ähnlichen Materialien. Ferroelektrika sind spezielle Kristalle wie etwa Bariumtitanat, in denen die Atome auf besondere Art und Weise angeordnet sind. Die positiv geladenen Titan-Ionen verschieben sich im Kristallgitter relativ zu den anderen Atomen, so dass es zu einer Polarisation und damit zu einem dauerhaften elektrischen Feld kommt.

Das Material hat daher einen elektrischen Dipol, der sich durch das Anlegen eines äußeren Feldes – beispielsweise eine elektrische oder mechanische Spannung - gezielt umpolen lässt. Diese und verwandte Materialeigenschaften finden heute vielseitige Anwendungen, unter anderem in der Sensorik (piezoelektrische Technologie, Infrarotsensorik), werden aber auch beim so genannten „Ferroelectric Random Access Memory“ (FRAM oder FeRAM) genutzt, einem nichtflüchtigen elektronischen Speichertyp der Zukunft.


Optische Nahfeld-Mikroskopie im Einsatz


Analog zum Ferromagnetismus richten sich die elektrischen Dipole parallel zueinander in kleinsten Bezirken, den Domänen, aus. Beim untersuchten Kristall ist eine Domäne nur rund ein bis zehn Mikrometer groß - ein hunderstel bis ein tausendstel Millimeter. Um die elektrischen Ladungen in den Domänen für technologische Anwendungen gezielt manipulieren zu können, müssen diese zunächst einmal sichtbar gemacht werden.

Die Dresdner Wissenschaftler setzen dafür auf eine neue Variante der Mikroskopie, die so genannte optische Nahfeld-Mikroskopie. Hier wird nicht das Objekt als Ganzes abgebildet, sondern es werden nacheinander winzige Ausschnitte betrachtet und diese danach mit Hilfe eines Computers zu einem Gesamtbild zusammengesetzt. Das erreicht man, indem man einen Objektausschnitt durch eine sehr kleine Öffnung mit einem feinen Lichtstrahl aus einer sehr kurzen Entfernung beleuchtet. Trifft man dabei die richtige Wellenlänge des Lichts, so schimmern die unterschiedlichen Domänen - für das menschliche Auge unsichtbar - in leicht unterschiedlichen Farben.

Unsichtbarer Laserstrahl trifft ultrascharfe Nadel


Im Experiment wird ein unsichtbarer Laserstrahl auf eine ultrascharfe Nadel - die Spitze eines Rasterkraftmikroskops - gelenkt, und diese wiederum rastert den Kristall Punkt für Punkt ab. Die Spitze, an der das Licht gestreut wird, übernimmt hier die Rolle eines Lichtkonzentrators. Damit ist die optische Auflösung alleine durch die Spitze beschränkt und erreicht circa 100 Nanometer. Die Infrarotnahfeld-Mikroskopie erreicht so eine sagenhafte Auflösung, die um den Faktor 100 besser ist als die Wellenlänge des eingesetzten Laserlichts, womit eine physikalische Grenze von normalen optischen Mikroskopen durchbrochen wird.

Als Lichtquelle kam der Freie-Elektronen-Laser im Forschungszentrum Dresden-Rossendorf zum Einsatz. Dieser Laser erzeugt brillantes Licht in einem weiten Spektrum vom infraroten bis in den fernen infraroten Bereich, der auch Terahertz-Strahlung genannt wird. In diesem Bereich existieren weltweit nur wenige Laserquellen.

Domänen zeigen im Infrarotlicht spezifische Resonanzfrequenzen


Das Besondere an diesem Laser ist dessen Durchstimmbarkeit, das heißt die Wellenlänge - und damit die Farbe des Lichts - ist frei einstellbar. Die Forscher wählten eine Wellenlänge, deren dazugehörige Frequenz mit der Bewegung der Atome im Bariumtitanat-Kristall gut übereinstimmt. Deren Eigenfrequenz entspricht einer Wellenlänge von ungefähr 17 Mikrometer. Folglich kommt es zur Resonanz, einer physikalischen Erscheinung, die man auch im täglichen Leben beobachten kann, zum Beispiel wenn im fahrenden Auto ein drehzahlabhängiges Geräusch auftritt.

Die ferroelektrischen Domänen unterscheiden sich zueinander lediglich in der Ausrichtung der elektrischen Felder innerhalb der Domänen. Das Team um Eng fand heraus, dass sich die Wechselwirkung von infrarotem Licht mit dem Kristall abhängig von den Domänen ändert. Die Domänen zeigen also im Infrarotlicht jeweils spezifische Resonanzfrequenzen. Die Resonanzfrequenz von Bariumtitanat liegt, abhängig von der elektrischen Polarisation, entweder bei einer Wellenlänge von 16,7 (senkrecht zur Oberfläche orientiert) oder von 17,2 Mikrometer (in der Ebene orientiert).

Die Nahfeld-Mikroskopie macht diese Unterschiede sichtbar und erzeugt so kontrastreiche Aufnahmen der elektrischen Dipolverteilung in einem Kristall, die weltweit bisher einmalig sind.

Freie-Elektronen-Laser mit großem Potenzial


Die Ergebnisse unterstreichen das große Potential von Freie-Elektronen-Lasern auf dem Gebiet der Nahfeld-Mikroskopie. Dabei profitiert die Festkörperforschung besonders von der Intensität dieser Laser in Kombination mit ihrer Durchstimmbarkeit. Die Dresdner Forscher wollen nun dank der Förderung durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) ihre Untersuchungen ausdehnen auf neue Materialklassen wie etwa die so genannten Multi-Ferroika, aber auch auf Biomoleküle und Halbleiter-Nanostrukturen. Gerade für letztere erwarten sie weitere spektakuläre Ergebnisse, beispielsweise über vergrabene Dotierprofile in Halbleiter-Wafern.
(idw - Forschungszentrum Dresden - Rossendorf, 26.06.2008 - DLO)
 
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