Magnetische Eigenschaften von Perowskit-Materialien kontrollierbar

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g-Faktor und Bandlücke korrelieren

Ein internationales Forschungsteam unter Federführung der TU Dortmund konnte zeigen, dass die magnetischen Eigenschaften von Perowskit-Kristallen exakt einstellbar sind. Perowskite sind in der Forschung aktuell sehr gefragt, da sie zum Beispiel statt Silizium in Solarzellen eingesetzt werden können. Die Physiker haben nun die magnetischen Eigenschaften der Perowskite genauer untersucht und herausgefunden, dass diese von der Materialzusammensetzung der Kristalle abhängig sind. Die Erkenntnis ermöglicht es, für eine konkrete Anwendung des neuen Materials die gewünschten magnetischen Eigenschaften genau einzustellen. Die Erkenntnisse wurden in Nature Communications open access veröffentlicht.

Fotografien der untersuchten Perowskit-Kristalle mit den chemischen Zusammensetzungen. Ihre Bandlücke bestimmt ihre Farbe, ist aber auch wichtig für ihre Reaktion über die darin enthaltenen Spins (Pfeile) auf ein externes Magnetfeld, wie mit dem Hufeisenmagnet angedeutet – Grafik © TU Dortmund

Perowskite werden seit mehr als 150 Jahren untersucht. In jüngster Zeit haben sie große Aufmerksamkeit erfahren, da auf ihrer Basis Solarzellen entwickelt werden konnten, die ähnlich effizient sind wie die herkömmlichen Silizium-Solarzellen. Auch als Material für Lichtquellen wie Leuchtdioden sind Perowskite vielversprechend. Sie sind für die Industrie besonders attraktiv, da sie flexibel und kostengünstig hergestellt werden können.

Das Team um die Dortmunder Physiker hat die neuartigen Materialien nun auch auf ihre Eignung für andere Anwendungen untersucht. Dazu wurde ihre Sensitivität auf Magnetfelder geprüft, die zum Beispiel relevant ist für Spinresonanzphänomene, wie sie in der Magnetresonanz-Bildgebung eingesetzt werden. Die Forscher interessierten sich dabei vor allem für die Spins von Elektronen, denn der sogenannte g-Faktor eines Spins ist entscheidend für die Kopplungsstärke an ein Magnetfeld. Wenn dieser g-Faktor genau eingestellt werden kann, kann man die magnetischen Eigenschaften eines Materials beeinflussen.

Der g-Faktor ist exakt einstellbar

In der publizierten Arbeit wurde der g-Faktor von Ladungsträgern wie Elektronen für Blei-Halogen-Perowskite mit sehr unterschiedlichen Zusammensetzungen untersucht. Perowskite auf der Basis von Blei-Halogen-Verbindungen sind Halbleiter, die durch eine sogenannte Bandlücke charakterisiert sind. Eine Bandlücke entspricht einem Bereich an Energien, den die Elektronen nicht besetzen können. Die Existenz der Bandlücke ist entscheidend für den Erfolg von Halbleitern in traditioneller Elektronik oder Optoelektronik, da sie die Materialien verlässlich in ihrem Betrieb und unempfindlich gegen Störungen macht.

Um herauszufinden, wie g-Faktor und Bandlücke zusammenhängen, setzte das Team eine große Vielfalt an laserspektroskopischen Techniken im Magnetfeld ein. Dabei zeigte sich, dass g-Faktoren und die Bandlücken stark korrelieren, so dass eine universelle Abhängigkeit für die gesamte Materialvielfalt der Perowskite abgeleitet werden konnte. Diese Abhängigkeit liefert sehr nützliche Information für weitere Forschung und Materialentwicklung: Kennt man die Bandlücke für ein bestimmtes Perowskit-Material, können nun verlässlich die g-Faktoren vorhergesagt werden. Oder anders herum: Will man einen bestimmten g-Faktor erreichen, muss man nur das Material mit der entsprechenden Bandlücke heraussuchen.

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