Spinelektronik auf der Basis magnetischer oxidischer Halbleiter

Es gibt mittlerweile eine Reihe von Erfolg versprechenden Anwendungsmöglichkeiten von ferromagnetischen Halbleitern, z.B. den Spintransistor und auch Leuchtdioden. Für Anwendungen in Speicherelementen sind die Schalteigenschaften von zentraler Bedeutung. Daher werden zurzeit intensiv neuartige Ansätze zum Schalten kleiner ferromagnetischer Metall- und Halbleiterstrukturen verfolgt, unter anderem das Schalten durch einen sogenannten Spin-Torque-Effekt (u.a. strominduzierte Domänenwandverschiebung). Durch die Anwendung von ferromagnetischen oxidischen Halbleitern besteht die Möglichkeit die notwendigen Stromdichten für diesen Schaltvorgang zu reduzieren, was für eine höhere Lebensdauer der Speicherelemente unabdingbar ist.

Im hier vorgeschlagenen Projekt sollen Mikro- und Nanostrukturen auf der Basis magnetischer oxidischer Halbleiter hergestellt werden, um strominduzierte Domänenwandpropagation zu untersuchen. Dazu werden magnetische Halbleiter auf der Basis von d-Metall-dotierten ZnO und SnO₂ hergestellt, die größere magnetische Momente und hohe Curie-Temperatur vorweisen. Dünne Schichten dieser Materialien werden zunächst mittels reaktivem Magnetronsputtern und Molekularstrahlepitaxie hergestellt und hinsichtlich der Schichtbeschaffenheit, chemischen Zusammensetzung, magnetischen Eigenschaften und Spinpolarisation charakterisiert. Anschließend werden definierte Mikro- und Nanostrukturen mittels Focused-Ion-Beam bzw. elektronenlithografischer Prozessierung präpariert. Letztlich werden spinabhängige Magnetotransportmessungen und magnetische Abbildungsverfahren an den Mikro- und Nanostrukturen durchgeführt, um die Domänenwandpropagation qualitativ zu untersuchen und relevante Größen wie kritische Stromdichte und Domänenwandpropagationsgeschwindigkeiten mit theoretisch berechneten Werten vergleichen zu können.

Die theoretische Beschreibung von Magnetotransportphänomenen soll weiterentwickelt werden. Insbesondere wird eine boltzmannartige Transporttheorie für nicht-kollineare Magnetisierungsrichtungen benötigt, um Stromtransport durch Domänenwände zu beschreiben. Hierzu werden wir die bekannten theoretischen Methoden basierend auf Keldysh-Greenschen-Funktionen auf spinabhängigen Transport erweitern. Der Vorteil dieser Methode liegt in der mikroskopischen Basis, auf der mit Hilfe kontrollierter Näherungen semiklassische kinetische Gleichungen hergeleitet werden können. Um ein Phänomen wie die Domänenwandpropagation zu beschreiben, kann als Ansatz eine selbstkonsistente Molekularfeldnäherung für die Magnetisierung gemacht werden. Die Dynamik der Magnetisierung führt dann zu einer Rückkopplung auf die kinetischen Gleichungen für die Leitungselektronen. Die so hergeleiteten Gleichungen sollen dann für einfache Systeme analytisch und für komplexere, realistische Geometrien numerisch gelöst werden.