Multiferroika: Wie man Gegensätze vereint

Multiferroika ermöglichen durch ihre einzigartigen Eigenschaften völlig neue technologische Anwendungen. Doch bis zur serienreifen Umsetzung müssen die Effekte in den Materialien noch weiter erforscht werden. Die technisch nutzbare Vereinigung mehrerer ferroischer Phänomene wollen Wissenschaftler mit raffinierten Tricks erreichen. Dann könnten neuartige Sensoren, Datenspeicher und elektronische Bauteile Einzug in unseren Alltag halten.

Zum ersten Teil unseres Artikels über Multiferroika

Derzeit verfolgen Forscher im Wesentlichen zwei unterschiedliche Ansätze zur Vereinigung der ferroischen Effekte: Der erste Ansatz verfolgt die Herstellung künstlicher Mischmaterialien, so genannter Komposite. Hier koexistieren Magnetismus und Ferroelektrizität nicht in einer Phase eines einzigen Materials, sondern man bringt eine ferromagnetische Substanz in direkten Kontakt mit einer ferroelektrischen. Beim zweiten Ansatz wird nach neuen Mechanismen gesucht, wie Ferroelektrizität in einem Kristall existieren kann, ohne dass das gleichzeitige Auftreten von Magnetismus verhindert wird.

Maßgeschneiderte Verbundmaterialien

Der Lösungsansatz der Verbundmaterialien nutzt aus, dass bei vielen ferroischen Materialien der ferroische Effekt mit einer makroskopischen mechanischen Verformung einhergeht. Sogenannte magnetostriktive Materialien verändern zum Beispiel ihre Größe, wenn sie in ein Magnetfeld gebracht werden. Umgekehrt kann mechanischer Druck die Stärke der magnetischen oder elektrischen Ordnung beeinflussen. Diese als „Piezomagnetismus“ und „Piezoelektrizität“ bekannten Effekte sind durchaus nicht exotisch. In so genannten „Piezomotoren“ werden durch Anlegen einer elektrischen Spannung ultrafeine und genau reproduzierbare Verschiebungen im Submikrometerbereich ermöglicht. In Mikrofonen verursacht der Druck der Schallwellen auf einen piezoelektrischen Kristall eine Änderung der elektrischen Polarisation, die direkt als Spannungsänderung messbar ist. Ein ganz alltägliches Beispiel für den Piezoeffekt sind Feuerzeuge, bei denen durch den Druck auf einen Kristall eine elektrische Entladung als Zündfunke entsteht.

Das Bild zeigt drei dreidimensionale Schemazeichnungen. Unten befindet sich jeweils eine horizontale Schicht, das Substrat. In dem mit "2-2" beschriebenen Schema sind über dem Substrat jeweils dünne magnetostriktive und piezoelektrische Schichten angeordnet. Zuunterst ist eine magnetostriktive Schicht. In dem mit "0-3" beschriebenen Schema enthält ein ansonsten ganz piezoelektrischer Bereich viele magnetostriktive Flecke. Das mit "1-3" bezeichnete Schema stellt in dem sonst piezoelektrischen Körper magnetostriktive Säulen dar.
Nanostrukturierte Kompositmaterialien

In Verbundmaterialien wird zum Beispiel ein magnetostriktives Material zusammen mit einem piezoelektrischen angeordnet. Wie funktioniert in diesem Fall die Wechselwirkung zwischen den verschiedenen Materialien? Die verblüffend einfache Antwort lautet: mechanisch! Denn ein äußeres Magnetfeld verändert die Größe der magnetostriktiven Substanz. Dadurch drückt oder zieht diese an dem piezoelektrischen Material, was eine Spannungsänderung zur Folge hat. Die Stärke des angelegten Magnetfeldes kann so durch die Messung der elektrischen Spannung bestimmt werden. Das Kompositmaterial fungiert also als Magnetfeldsensor. Da diese Eigenschaft nur durch die Kombination beider Materialeffekte entsteht, spricht man von einer Produkteigenschaft.

Die Möglichkeiten zur Herstellung solcher künstlichen Multiferroika sind vielfältig. Der einfachste Weg ist, beide Ausgangsmaterialien in Form von Folien direkt aufeinander zu kleben. Kompaktere Elemente lassen sich herstellen, indem dünne Schichten der Materialien ähnlich wie in der Mikrochipproduktion in wechselnder Stapelfolge direkt auf ein Trägermaterial, dem so genannten Substrat, aufgebracht werden. Mit der Anzahl der Schichten lässt sich dann der Effekt fast beliebig steigern. Noch effektivere Bauelemente erhält man durch Anwendung der modernen Nanotechnologie. Dank der nanotechnologischen Verfahren können wenige Nanometer dicke Zylinder oder Kügelchen aus ferromagnetischem Material in eine ferroelektrische Substanz eingebettet werden. Dadurch wird die Kontaktfläche zwischen beiden Materialien maximiert, was zu einer optimalen mechanischen Wechselwirkung führt.

Die Elektronenmikroskopaufnahme zeigt eine Ansammlung meist senkrechter, sechseckiger Säulen auf einer gemeinsamen Oberfläche. Die Säulen stehen dicht gedrängt, zeigen in leicht verschiedene Richtungen und variieren stark in Durchmesser und Länge, wie Halme auf einer dicht begrasten Wiese.
Magnetoelektrische Nanostäbe

Der Vorteil dieses Weges, neue Multiferroika zu erzeugen, liegt auf der Hand: Je nach Anwendungszweck kann die optimale Kombination aus der Fülle ferroischer Substanzen ausgesucht werden. Es verwundert daher nicht, dass schon erste technische Anwendungen zum Beispiel von Magnetfeldsensoren auf der Basis künstlich strukturierter Multiferroika demonstriert werden konnten.

Auf physikalischem Neuland

Physikalisch sehr interessant und herausfordernd ist der zweite Lösungsansatz, einen Weg zu finden, wie Ferroelektrizität und Ferromagnetismus in einem Kristall gleichzeitig koexistieren können. Da hierfür nach neuen, bisher unbekannten physikalischen Mechanismen gefahndet wird, ist dieser zweite Weg für Physiker sehr reizvoll. Und innerhalb weniger Jahre haben sich in der Tat bereits verschiedene neue Ansätze entwickelt, wie Ferroelektrizität entstehen kann, ohne in Konflikt mit dem Magnetismus zu geraten. Die dabei vielleicht faszinierendste Idee ist es, die magnetische Ordnung selbst die Ferroelektrizität erzeugen zu lassen.

Vor wenigen Jahren wurde experimentell nachgewiesen, dass bestimmte periodische Anordnungen der magnetischen Momente in einem Material auch zu einem magnetoelektrischen Effekt führen. Bei der so genannten zykloidalen Anordnung zeigen die magnetischen Momente im Kristallgitter wie Uhrzeiger auf die verschiedenen Positionen eines Ziffernblatts. Je nachdem, ob die Ausrichtung mit oder gegen den Uhrzeigersinn dreht, spricht man von einer rechts- oder linkshändigen Zykloide. Solch eine spiralförmige Anordnung der magnetischen Momente kann die elektrischen Ladungsträger eines Kristalls gegeneinander verschieben. Durch diese Versetzung entsteht im Material dann eine elektrische Polarisation.

In der linken Hälfte der Grafik ist eine linksdrehende Anordnung der magnetischen Momente in einem Material dargestellt. Die magnetischen Momente sind durch eine waagrechte Kette eines Dutzends verkippter Pfeilchen dargestellt. Jedes Moment ist um etwa 20 Grad weiter als sein Nachbar verdreht. Darunter zeigt eine waagrechte Kette drei positive Ionen, die ebenfalls gegeneinander gekippte magnetische Momente besitzen. Zwischen je zwei positiven Ionen ist ein negatives Ion dargestellt. Es wird durch die benachbarten magnetischen Momente aus seiner neutralen Position um ein kleines Stückchen nach unten versetzt. Die daraus resultierende Polarisation wird durch zwei nach oben weisende Pfeilchen gezeigt. In der rechten Hälfte der Grafik ist auf gleiche Weise die rechtsdrehende Anordnung dargestellt: die magnetischen Momente sind in dem entgegengesetzten Drehsinn verkippt. Die negativen Ionen werden dadurch nach oben versetzt und damit weist die Polarisation nach unten.
Zykloidale magnetische Momente

Inzwischen gibt es Dutzende von Verbindungen, in denen diese ganz neue Art der ferroelektrischen Polarisation nachgewiesen wurde. Darunter sogar das natürlich vorkommende Mineral Hübnerit (MnWO4) Diese so genannten Spinspiral-Multiferroika zeigen alle erwarteten magnetoelektrischen Effekte: Ändert man durch äußere Felder den Drehsinn der magnetischen Spirale, ändert sich auch die Orientierung der elektrischen Polarisation. Umgekehrt ändert sich die magnetische Ordnung, kehrt man die Richtung der Polarisation um. Da der magnetoelektrische Effekt in den Spinspiral-Multiferroika durch die direkte Wechselwirkung zwischen den magnetischen Momenten und Ladungsträgern einzelner Kristallbausteine hervorgerufen wird, bilden diese Materialien die engste Verknüpfung von Magnetismus und Ferroelektrizität. Auch aus theoretischer Sicht ist das Phänomen bereits sehr gut verstanden. Dieses Verständnis treibt die aktuelle Suche nach weiteren Verbindungen, bei denen diese Art der Kopplung von Magnetismus und Ferroelektrizität auftritt, weiter an. Insbesondere wird nach Stoffen gesucht, die den magnetoelektrischen Effekt bei höheren, für die technische Nutzung interessanten, Temperaturen zeigen. Denn während die Kompositmaterialien auch bei Raumtemperatur funktionieren, liegt der aktuelle Temperaturrekord bei den Spinspiral-Multiferroika zurzeit bei etwa minus siebzig Grad Celsius.

Spinspiral-Multiferroika sind jedoch nicht die einzige neue Klasse multiferroischer Materialien. Mittlerweile sind weit über hundert Verbindungen bekannt, die multiferroische Eigenschaften zeigen. Darunter finden sich auch natürliche Mineralien sowie Stoffe, in denen sogar bei Raumtemperatur Magnetismus und Ferroelektrizität koexistieren, wie etwa beim Bismutferrit (BiFeO3). Auch wird an neuartigen Grenzschichtmaterialien gearbeitet, bei denen nicht-multiferroische Materialien in Form dünner Schichten aufeinander aufgetragen werden. Durch die richtige Wahl der Komponenten soll dann an der Kontaktfläche ein neuartiger multiferroischer Zustand entstehen. Dieser Ansatz ist sowohl physikalisch als auch technologisch äußerst interessant. Denn einerseits ergibt sich dabei die Möglichkeit, auf mikroskopischer Ebene zu einem besseren Verständnis hinsichtlich der Ursachen von magnetischer und elektrischer Ordnung zu gelangen. Andererseits erhöht dieser Ansatz die Anzahl geeigneter Materialien und damit verbessern sich auch die Chancen, Multiferrozität technologisch anzuwenden.

Multiferrozität ist noch ein junges Forschungsgebiet, das erst im Jahre 2001 durch theoretische Arbeiten neuen Auftrieb erhielt. In welche Richtung es sich letztlich weiterentwickeln wird, ist noch nicht abzusehen. Sicher ist jedoch, dass die erfolgreiche Vereinigung von ferroischen Gegensätzen völlig neue technische Anwendungen ermöglicht.