Neue Forschung zu Ferromagnetismus in magnetischen Halbleitern
Das Ausnutzen des Spins von Elektronen sowie deren Ladung ermöglicht neue Speichergeräte mit völlig neuen Funktionalitäten, die die zunehmenden Einschränkungen herkömmlicher Elektronik überwinden. Ein intensiv untersuchter Ansatz zum Erhalt von spinpolarisierten Trägern für die Datenspeicherung ist die Verwendung von DMS. Diese werden durch Dotieren von Halbleiterwirten wie Galliumnitrid (GaN) oder Zinkoxid mit Übergangsmetallionen wie Mangan (Mn), Eisen und Kobalt hergestellt. Die Wechselwirkung zwischen Spins führt zu ferromagnetischer Ordnung bei niedrigen Temperaturen, was für die Herstellung von spinpolarisierten Trägern erforderlich ist. Trotz der Fortschritte in der Physik von DMS, gelten das Verständnis und die Kontrolle dieser Materialien als das umstrittenste und anspruchsvollste Gebiet der heutigen Materialwissenschaften und der Physik kondensierter Materie. Um sich dieser Herausforderung anzunehmen, initiierten Wissenschaftler das Projekt FUNDMS (Functionalisation of diluted magnetic semiconductors). Das Projektteam verwendete fortschrittliche Synchrotronanlagen, um tiefere Einblick dazu zu gewinnen, wie magnetische Ionen in dem Halbleitergitter positioniert werden. Theoretische und experimentelle Untersuchungen ermöglichten dem Team zu zeigen und besser zu verstehen, wie nanoskalige Heterogenität bei der Verteilung von Übergangsmetallionen gesteuert wird. Neue Informationen über Innenverteilung tragen dazu bei, die makroskopischen Eigenschaften von DMS zu verstehen. Die Projektmitglieder untersuchten experimentell und beschrieben viele Aspekte der Mechanismen für Ferromagnetismus in DMS mit einer einheitlichen Mn-Verteilung. In (Ga,Mn)N-Filmen wurde Ferromagnetismus trotz der Abwesenheit von Trägern beobachtet, und der relevante Mechanismus wurde als ferromagnetischer Superaustausch identifiziert. Es wurde auch gezeigt, dass die starke Kopplung zwischen lokalisierten Spins durch Löcher in dem Valenzband vermittelt wird. Ein weiteres herausforderndes Thema, mit dem sich FUNDMS befasste, betrifft den Einfluss der Loch-Lokalisierung auf loch-vermittelten Ferromagnetismus. Die Wissenschaftler zeigten, dass kritische Schwankungen in der Trägerdichte von Metall-Isolator-Halbleiter-Strukturen zur Koexistenz von ferromagnetischen und superparamagnetischen Bereichen führen. FUNDMS reichte ein Patent für eine seiner Methoden zur Steuerung der Aggregation von Übergangsmetallionen ein, ein anderes betrifft die breite Photolumineszenz infolge von Verunreinigungen in GaN, die für GaN-basierte Infrarotlaser ausgenutzt werden kann. Die Projektergebnisse wurden in 74 Publikationen und rund 100 Gastbeiträgen verbreitet.
Schlüsselbegriffe
Ferromagnetismus, Materialwissenschaften, verdünnter magnetischer Halbleiter, spinpolarisiert, FUNDMS
