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entdeckt_01_2015

TITEL// DAS FORSCHUNGSMAGAZIN AUS DEM HZDR WWW.HZDR.DE 04 05 Geheilte Kristalle Um fremde Atome in die Halbleiter zu bringen, erzeugen Shengqiang Zhou und seine Mitarbeiter elektrisch geladene Atome, beschleunigen diese Ionen mit einer starken elek- trischen Spannung und schießen sie so in den Halbleiter. Genauso werden überall auf der Welt Halbleiter „dotiert“, wie Elektronik-Spezialisten diesen Prozess nennen. Nur dotiert man den Halbleiter Gallium-Arsenid normalerweise mit Kohlenstoff oder Tellur, während die HZDR-Forscher dazu Mangan nehmen. Dieses Element ist genau wie Eisen ein sogenanntes „Übergangsmetall“, genau wie jenes ist auch Mangan magnetisch. Zunächst einmal richtet der Physiker einen auf hundert Kilo- Elektronenvolt beschleunigten Strahl von Mangan-Ionen im Hochvakuum auf einen Gallium-Arsenid-Kristall. Der Halblei- ter wird dabei an der Oberfläche bis zu einer Tiefe von gerade einmal einem zehntausendstel Millimeter - in der Sprache der Physiker hundert Nanometer - mit Mangan-Atomen gespickt. Zusätzlich zu dieser gewünschten Dotierung zieht der ziemlich rabiate Beschuss die Oberfläche des Kristalls allerdings erheblich in Mitleidenschaft – der Halbleiter funktioniert nicht mehr. Deshalb schießen die HZDR-Forscher anschließend mit einem Laser kurze Lichtpulse auf das Material, die gerade einmal 20 bis 30 Milliardstel Sekunden (20 bis 30 Nanosekun- den) lang blitzen. Das reicht, um die oberen hundert Nanome- ter aufzuschmelzen, darunter bleibt der Kristall intakt. Auch die Oberfläche bleibt nicht lange flüssig, nach rund hundert Nanosekunden kristallisiert die Schmelze, unterstützt vom intakten Kristall darunter, wieder aus. So heilt die durch den Ionenbeschuss beschädigte Oberfläche aus und einige der Gallium-Atome werden von Mangan ersetzt. Elektro- und Magnetschalter Genau wie alle Atome besteht Mangan aus einem Atomkern, der von Schalen aus Elektronen eingehüllt wird. Elektronen haben nun nicht nur eine elektrische Ladung, sondern auch einen „Spin“. Diese quantenmechanische Eigenschaft der Elektronen verhält sich wie ein Eigendrehimpuls, der entweder rechts oder links herum dreht. Wie beim Eisen auch ist beim Mangan eine innere Schale unvollständig, weshalb sich pro Atom ein Gesamtspin herausbildet. Die Gesamtspins verschie- dener Atome verständigen sich untereinander und machen das Material magnetisch. Etwas Ähnliches passiert auch in dem mit Mangan dotier- ten Gallium-Arsenid-Halbleiter, den Shengqiang Zhou mit den Ionenstrahlen hergestellt hat. Jedes Mangan-Atom erzeugt dort eine elektrisch positiv geladene Stelle, die in der Halbleiter-Technik „Loch“ genannt wird. Diese Löcher wiede- rum bewegen sich, was dazu führt, dass die Mangan-Atome miteinander wechselwirken. Dadurch kann das Material ferro- magnetisch werden. „Man kann die magnetischen Eigenschaften genau wie bei den logischen Schaltungen in den Prozessoren eines Com- puters durch ein elektrisches Feld kontrollieren“, freut sich Shengqiang Zhou. Für die Elektronik-Industrie könnte ein solcher magnetischer Halbleiter eine Revolution einleiten. Bis dahin aber dürfte der Weg noch weit sein. Denn bisher funktioniert das Duo-Material nur bei tiefen Temperaturen von knapp minus hundert Grad Celsius. „Als nächstes wollen wir daher versuchen, das gleiche Material so herzustellen, dass es auch bei normalen Temperaturen in einem Computer funktioniert“, erklärt der HZDR-Physiker. IONENMASCHINE: Ionen niedriger Energie stoßen vor allem Atome an der Oberfläche von ihrem angestammten Platz im Kristallgitter. Foto: Claus Preußel

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