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Coexisting multiple orders in oxide thin films

English title Coexisting multiple orders in oxide thin films
Applicant Schneider Christof
Number 169393
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Paul Scherrer Institut
Institution of higher education Paul Scherrer Institute - PSI
Main discipline Condensed Matter Physics
Start/End 01.11.2017 - 31.10.2021
Approved amount 261'254.00
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Keywords (5)

Strain; Multiferroics; Thin films; neutron diffraction; magneto-electric coupling

Lay Summary (German)

Lead
Dieses Forschungsprojekt beruht auf der Herstellung dünner Filme mittels gepulster Laserverdampfung und ist fokussiert auf das Wachstum verspannter multiferroischer, epitaktischer Schichten. Die multiferroischen Eigenschaften von orthorhombischem REFeO3 (RE: Ce - Lu) wurde bislang nur wenig untersucht, insbesondere als dünne Filme obwohl diese Materialklasse eine hohe antiferromagnetische Übergangstemperaturen aufweist (>600K). Ferroelektrizität wurde für einige Verbindungen gemessen, aber nur bei sehr tiefen Temperaturen. Auf der anderen Seite gibt es theoretische Arbeiten die ferroelektrische Übergangstemperaturen bei Zimmertemperatur vorhersagen wenn epitaktisch, homogen verspannte Filme gewachsen werden können. Dabei wird eine elektrische Polarisation, P, vorhergesagt die bis zu 10 µC/cm2 oder höher sein könnte.
Lay summary
Inhalt und Ziel des Forschungsprojekts

Bei den Versuch die Effizienz von elektronischen Bauteilen zu verbessern sowie deren Energieverbrauch zu minimieren, sind Materialien die magnetische und ferroelektrische Eigenschaften vereinen, verstärkt in den Fokus der Forschung getreten. Die Koexistenz von mindestens zwei solcher ferroischer Eigenschaften und deren Kopplung hat das Potential z.B. die magnetischen Eigenschaften eines Bauelementes mit Hilfe eines stromlosen Spannungspulses zu kontrollieren. Multiferroische Materialien bei denen Ferroelektrizität mittels magnetischer Ordnung induziert wird sind besonders von Interesse für Anwendungen aufgrund ihrer sehr ausgeprägten magneto-elektrischen Kopplung.

Das Projekt wird das Wachstum, Wachstumsmechanismen und den wachstumsinduzierten Stress während der Herstellung von DyFeO3 auf verschiedenen Substraten untersuchen. DyFeO3 wurde als ein repräsentativer Vertreter der REFeO3 Materialklasse ausgewählt von dem wir erwarten, dass homogen verspannte Filme hoher Qualität gewachsen werden können. Wir erwarten ferner, dass diese breitangelegte Studie zu Filmen mit hoher kristalliner Qualität zu multiferroischen Eigenschaften führen wird um magneto-elektrischen Eigenschaften bzw. deren kontrollierte Beeinflussung zu erforschen. Das soll u.a. mittels temperaturabhängigen elektrischen Messungen (elektr. Polarisation und Kapazität), magnetische Rastersondenmikroskopie (Zimmertemperatur) und Neutronenstreumethoden (PSI) untersucht werden.

Bisher gibt es noch keine REFeO3 Filme hoher kristalliner Qualität mit signifikanten magneto-elektrischen Eigenschaften bei Zimmertemperatur. Diese Voraussetzungen wären ein erster Schritt für mögliche Anwendungen von magneto-elektrischen Bauteilen die bei Zimmertemperatur studiert werden könnten. 
Direct link to Lay Summary Last update: 25.09.2017

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Name Institute

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
147049 Structural and magneto-electric properties of strained REMnO3 films 01.11.2013 Project funding (Div. I-III)
152913 Strain-tuned ferroic functionality in CuO at elevated temperatures 01.01.2015 Project funding (Div. I-III)

Abstract

To increase efficiency and minimize energy consumption of electronics devices, multiferroics, i.e. compounds unifying magnetic and ferroelectric order in one phase, moved into focus about a decade ago. The coexistence of the two orders bear a potential for an unusually strong magnetoelectric coupling which may, e.g. become the basis for controlling magnetization by fast energy-efficient electric voltage pulses instead of electrical currents. Multiferroics in which the ferroelectric order is directly induced by the magnetic order are most promising because of their particularly pronounced magnetoelectric coupling. Attempts are now being made to grow such magnetically induced ferroelectrics as epitaxial films since this offers a variety of advantages. First, films can be implemented into heterostructures to exploit the multiferroic order for the magnetoelectric manipulation of the adjacent constituents3. Second, the dimensional confinement and the substrate-induced strain exerted to the film can alter the multiferroic state. For example, antiferromagnetism can be supplemented or replaced by a magnetization or multiferoicity can be induced in the first place4,5. Third, the investigation and control of domains and domain walls becomes simpler because the 3D network of domain walls is replaced by a 2D distribution. The growth of multiferroic epitaxial films is a relatively recent development. As a consequence, not too many different compounds have been studied so far. The partly multiferroic orthorhombic REFeO3 family (RE: Ce - Lu) has been little investigated yet as thin film although the magnetic transition temperatures, TN, of these G-type antiferromagnets are for most REFeO3 above 600K, some show a weak ferromagnetism and a spin reorientation below 130 K. In some REFeO3 (e.g. RE = Sm, Dy, Gd) there is also ferroelectricity reported albeit at low temperatures or in the presence of a magnetic field. The ferroelectric phase is predicted to be induced or increased up to room temperature when using epitaxial strain. More interesting, the electrical polarization, P, could be up to 10 µC/cm2 or even bigger. The goal of the proposed project is therefore the growth of high-quality multiferroic REFeO3 films using PLD in the PSI Materials Group using epitaxial strain as the major degree of freedom. We will focus at first on the growth, growth mechanisms and growth-induced strain during the deposition of two REFeO3 materials (RE = Dy, Ce) on different substrates with different orientations. This approach is expected to lead to high quality (structural and multiferroic) thin films. Structural, ferroelectric and magnetic studies will also be conducted including neutron diffraction experiments to investigate in detail e.g. the magnetic ground state and the magnetic structure of the multiferroic thin films. A thorough understanding of the different ground state properties affected by strain is necessary to understand the tuning of the magneto-electric properties. With the collaboration of the PSI Materials Group and the Spectroscopy group from the Laboratory for Neutron Scattering and Imaging thereby combining their leading expertise in PLD growth, structural, electrical and advanced magnetic characterization of functional oxides has already proven beneficial in the past. With the synergy of both groups we expect further significant advances by our project in the field of multiferroics, both towards practical application and a deeper understanding of coupling mechanisms leading to multiferroicity in general.
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