Ein internationales Forschungsteam um Prof. Hongbin Zhang, Leiter des Fachgebiets Theory of Magnetic Materials, stellt in der Fachzeitschrift Science eine neue Strategie zur Verbesserung der Energiespeicherung in ferroelektrischen Oxiddünnschichten vor. Dabei handelt es sich um hauchdünne Schichten aus Metall-Sauerstoff-Verbindungen mit elektrischer Polung.

Durch wiederholtes, gezieltes Abkühlen auf extrem tiefe Temperaturen und anschließendes Erwärmen konnte das Team kontrolliert Stickstoff in das Kristallgitter des Oxids einbauen. Dadurch lässt sich Energie in solchen Materialien, wie beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien, effizient speichern und wiedergewinnen.

Quantenmechanische Modellierungen haben gezeigt, dass Sauerstoffleerstellen im Kristallgitter eine wesentliche Rolle bei der Senkung der Energiebarriere für die reversible Energiespeicherung und -rückgewinnung spielen. Aus diesem Grund wird verständlich, warum das Einbringen von Stickstoff in das Material (Nitridierung) unter vergleichsweise milden Bedingungen möglich ist.

Der Stickstoffeinbau verändert zudem die Elektronenlokalisierung, verstärkt die Verschiebung der positiv geladenen Ionen (Kationen) aus ihrer zentralen Position und stärkt lokale elektrische Dipole, also die Ladungsschwerpunkte auf atomarer Ebene. Die berechnete Polarisationssteigerung von rund 50 Prozent stimmt gut mit den Experimenten überein. Die Ergebnisse etablieren somit die defektvermittelte Steuerung chemischer Bindungen und lokaler Polarisation als neues Designprinzip für leistungsfähige ferroelektrische Oxide und Oxynitride.

Professor Zhang und sein ehemaliger Doktorand Chen Shen trugen wesentlich zur Entwicklung des theoretischen Konzepts und des mechanistischen Modells bei.