Reflectivity and Interface Diffraction Studies of Emergent thin-film Magnetoelectrics

RIDSEM prosjektet, "Reflectivity and Interface Diffraction Studies of Emergent thin-film Magnetoelectrics", finansiert av SYNKNØYT midler, er et tett samarbeid mellom UiO og IFE. Målsettingen har vært kompetansebygging innen reflektometri og studier av overflater og heterostrukturer. Opprinnelig har en del-målsetting å etablere kompetanse og forskningsbase for et nytt reflektrometer ved IFE, innen rammen av NcNeutron infrastrukturen, noe ble uaktuelt etter nedstegningen av JEEP-II reaktoren. Et avgjørende element for prosjektet har vært vekst av tynne filmer med interessante fysikalske egenskaper (gjennom bruk av Atomic Layer Deposition). Med denne metoden er det grodd filmer på ulike substrater, slik som enkrystaller av silisium, eller oksider som SrTiO3 og LaAlO3. På det viset har enkeltvise tynne filmer, eller heterostrukturer blitt laget, av forbindelser som LaNiO3 (metallisk ledende; LNO), (K,Na)NbO3 (KNN; ferroelektrisk); NiFe2O4 (ferrimagnetisk, FMO); MoO3 (elektrokjemisk aktivt), med mer. Disse har så blitt studert ved avanserte strålelinjer ved ESRF, SNBL@ESRF, APS og ILL, med tilgang basert på søknader. Prosjektets to post doktoter har begge mottatt finansiering for utenlandsopphold. Prosjektet har i 2020/21 hatt utfordringer slik andre pga manglende reise/tilgangsmuligheter. Faglig sett kobler RIDSEM metodikk med funksjonelle materialer som har spesielle magnetiske, elektriske og optiske egnskaper, og dermed har stort potensial innen (opto)elektronikk og sensorteknologi. Vi har i prosjektet demonstrert evne til å lage tynnfilm-strukturer av topp kvalitet, noe som har medført høsting av nye prosjekter og direkte finansiering fra INTEL. Prosjektet har vært meget vellykket mhp karrierutvikling for de to involverte post doktorene; en er nå i finalrunden for ERC starting grant og er allerede tilknyttet UiO i en brøk av lektorstilling; en har mottatt internasjonalt mobilitetsstipend fra Norges Forskningsråd og arbeider ved SINQ, Paul Scherrer Institut, Sveits, og er der norsk kontaktpunkt for infrastrukturen NcNeutron. Prosjektet har sålangt resultert i 17 publikasjoner i internasjonale tidskrift, noen med meget høy "impact factor".

Virkninger: Prosjektets to post doktorer har gjennom prosjektet styrket sin kompetanse og derigjennom kvalifisert seg videre for stillinger innen akademia hvor kunnskapene fra RIDSEM prosjektet har vært sentralt for tilsetning såvel som for forskningsprofil. Det har gitt kompetanseløft ved UiO og IFE. Dette er viktig for fortsatt faglig utvikling innen funksjonelle materialer; fra grunnforskning til anvendelser. Kompetansebyggingen er viktig i lys av ESS som er under etablering i Lund. Effekter: Prosjektet har medført sterkere vitenskaplig samarbeid mellom UiO/IFE og en rekke storskala-anlegg innen synkrotron- og nøytronbasert forskning. Lokalt har prosjektet konsolidert samarbeidet mellom UiO og IFE.

The physical properties of interfaces reflect the chemical state and atomic arrangement at the very boundary. The ability to study such interfaces is revolutionized via ultrasharp diffraction and reflectometry methodologies at large scale neutron and synchrotron light facilities. We will now prepare high quality model materials, with anticipated exotic interface phenomena, perform state-of-the-art characterization using X-rays at RECX, UiO (and NcNeutron, IFE, in furture). We benefit from our strong skills in Atomic Layer Deposition and will grow layers of ferroelectric and ferromagnetic oxides, characterize these with respect to chemistry, physical properties, structure, thickness and morphology. We hold unique competence in growth of alkali ferroelectrics like K-Na-niobates (KNN), and grow ferromagnets like La(Ca)MnO3 or CoFe2O4. We are thereby able to grow high quality multilayer stacks of ferroelectric and ferromagnetic materials, including use of KNN, with promise of components with very high magnetoelectric coupling. This opens in itself for new science. The switching of the ferroelectric films will be studied by operando methods at the Swiss Norwegian Beam Lines, ESRF. Initial property studies are made by surface probe microscopy and ferroelectric characterization at UiO. A candidate pdoc is invited to partly work at SNBL, and beam time is secured. The complex multilayer stacks will be investigated at ESRF and ILL/ISIS. The scientific cases have been discussed with the relevant beam line scientists, and reflectometry (ID03), interface diffraction (ID31) and neutron reflectometry (superadam@ILL) are planned for 2017/19. Steps are taken to submit early proposals in order to carry out high level experiments prior to the EBS shutdown of ESRF in 2019/20. LoIs are at hand, including the University of Uppsala. The ultimate target is to build and secure competence at UiO (RECX, NAFUMA group) and at IFE (NcNeutron) with perspectives of future use of ESRF and ESS.