Interface engineered functional oxides for future device technology

I dag er det mulig å skreddersy egenskaper ved atomær kontroll ved grensesjikt, avgjørende for å skape morgendagens miljøvennlige elektronikk. I snart 70 år har forskning på slike egenskaper vært i fokus, og slik forskning er i dag meget sentral innen komponentteknologi. Stor oppmerksomhet rettes nå mot perovskitter, materialer som bl.a. inneholder oksygen. Spesielt fokuseres det på hvordan elektrisk ledningsevne og magnetisme kan skreddersys ved grensesjikt. Egenskaper som er interessante for elektroniske anvendelser - strukturelle grenser blir nå mulighetenes land. I dette prosjekt har vi undersøkt hvordan strukturell symmetri ved grensesjikt kan bidra til å skape robuste materialer for energieffektiv komponent teknologi. Vi har spesielt sett på hvordan en miss-match av symmetri og fysikalsk ordning på ulike sider av grensesjiktet påvirker egenskapene. Bruk av magnetiske materialer i fremtidig komponentteknologi er lovende, og vi har spesielt fokusert på hvordan magnetisme kan bli kontrollert. Viktige resultater inkluderer hvordan tykkelse hos ulike magnetiske lag påvirker magnetisk domenestruktur. Spesielt har vi påvist at for tynne lag er det det antiferromagnetiske lag som driver domenestrukturen hos det ferromagnetiske lag. Dette har betydning for fremtidig spinntronikk og kan lede til bedre forståelse for hvordan oksidbaserte systemer kan benyttes i spinntronikkanvendelser. Hovedfunnet i dette prosjekt er at 111-orienterte perovskittgrensesjikt påviser store strukturelle rekonstruksjoner. Vi har teoretisk påvist hvordan gittervibrasjoner kobler mellom de enkelte lag, et verktøy for å optimalisere nye faser med gitte egenskaper. Vi har utarbeidet en metodologi som beskriver hvordan (111)-strain påvirker fononmoder, og påvist at responsen er beroende på strukturelle faktorer, dvs en sterisk effekt, og nominal valens på kationene. Dette åpner for å forutse effekt av oksygen rotasjoner ved grensesjikt og hvordan ulike ferroiske egenskaper påvirkes. Dette sammen med det mest sentrale resultatet at grensesjikt mellom (111)-orientert LSMO og LFO påviser en ny magnetisk fase, som er meget robust og bygger på en korrelasjon mellom strukturelle symmetrieffekter og modulering av elektronisk korrelasjo styrke, åpner for utarbeide retningslinjer for rasjonell design av oksidgrensesjikt.

-

There is a continuous development and downscaling of device technology, and the possibility to include novel architectures can enable energy efficient device technology at the same time as the functionality can increase. Systems with multiple order parame ters offers an important avenue towards future digital/electronic devices. At the center for such systems is to develop a thorough understanding and control of the interface between materials with different order parameters. We will rely on recent advan ces in our lab to control the surfaces of thin films with different crystalline orientations, and control the degree of distortion in magnetic oxides. These advancements enable systematic studies of the effect of symmetry mismatch at interfaces; this sinc e it has been shown that such mismatch can induce novel phases at the interface. To this extent we will investigate two complementary model systems, ferroelectric/ferromagnetic and antiferromagnetic/ferromagnetic multiferroic thin films, to study the in terplay between ferroic order at epitaxial interfaces. We will focus on structural symmetry effects at the interface, important to understand and control since there is a strong structure-property relationship in these materials. We will also investigate if the domain structure of one of the layers influence/can be used to control the other layers domain structure. The thin film materials we will primarily use are: ferromagnetic (La,Sr)MnO3, antiferromagnetic LaFeO3, and ferroelectric BaTiO3. Pulsed laser deposition will be used to synthesize the epitaxial heterostructures. To reach our goals within the project we will combine the PI's expertise in epitaxial thin film synthesis, nanostructuring, piezoelectric microscopy and magnetic spectroscopy/imaging using synchrotron radiation sources.