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Kohlenstoff bringt Magnetismus in die Elektronik

Forscher in Japan stellten vor einigen Jahren in einem Experiment zufällig eine Verbindung aus Silizium, Mangan und Kohlenstoff her, die unerwarteterweise auch bei Raumtemperatur ferromagnetisch war. Da Silizium das wichtigste Material für die Herstellung von Handy- oder Computerchips ist, rufen neue magnetische Eigenschaften von Silizium-Verbindungen immer ein großes Echo hervor. Forschern aus Karlsruhe und Dresden gelang nun die Herstellung von magnetischen "Nano-Drähten" aus diesem Material. Hierzu implantierten sie Kohlenstoff-Ionen bei erhöhter Temperatur in Mangansilicid. Dieses Ergebnis wurde vor kurzem in der Fachzeitschrift "Applied Physics Letters" veröffentlicht.

Dr. Christoph Sürgers von der Universität Karlsruhe und Dr. Kay Potzger vom Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD) beschäftigen sich mit der Wechselwirkung magnetischer und elektronischer Eigenschaften von Materialien. Jedes Elektron ist quasi ein winzig kleiner Magnet, denn es verfügt über eine Eigenrotation, den Spin. Da der Spin mindestens zwei verschiedene Einstellmöglichkeiten hat, bietet sich seine Nutzung als Informationsträger (ein/aus bzw. 0/1) an. Bereits in den 1980er-Jahren entdeckten die Physik-Nobelpreisträger des Jahres 2007, Grünberg und Fert, den Riesenmagnetowiderstand ("Giant Magnetoresistance - GMR"), der Festplatten mit einem Speichervermögen von vielen Giga-Byte ermöglicht. Damit begründeten sie die zukunftsträchtige Spinelektronik oder auch Spintronik. Die Reduzierung der Größe der Leiterbahnen bis in den Nanometerbereich (ein Nanometer entspricht einem Millionstel Millimeter) könnte jedoch auch völlig neuartige Effekte erzeugen, ja sogar zu stabileren Schaltkreisen führen.

Diese Herangehensweisen wurden nun im Ionenstrahlzentrum des FZD auf der Grundlage von Materialien aus Karlsruhe erfolgreich kombiniert. Dr. Kay Potzger implantierte Kohlenstoff-Ionen in eine dünne Schicht aus Mangansilicid (Mn5Si3). Um den neuen Materialverbund besser untersuchen zu können, entschloss er sich, die Kohlenstoff-Ionen erstmals mit Hilfe einer Lochmaske als kleine Quadrate zu implantieren. Bei den während der Implantation verwendeten Substrattemperaturen von ca. 450 °C wanderte der Kohlenstoff jedoch vom Zentrum der Quadrate an die Ränder und bildete dort regelmäßige ferromagnetische Nano-Drähte aus Mangan, Silizium und Kohlenstoff. In den Nano-Drähten liegen die durch die Elektronen erzeugten magnetischen Momente parallel zueinander ausgerichtet vor. Dieser Zustand ist ideal geeignet für weitere Arbeiten, die sich dem Transport von Elektronen in Nano-Drähten widmen werden. Die Forscher wollen gezielt Defekte in dünnen Materialschichten erzeugen, die als "Falle" für den implantierten Kohlenstoff dienen sollen.

Pressemitteilung vom 14.08.2008: Kohlenstoff bringt Magnetismus in die Elektronik

(a) Optische Mikroskopaufnahme von Mangansilicid mit durch eine Goldmaske implantierten Kohlenstoff-Ionen. Die Quadrate sind 7 x 7 Quadratmikrometer groß.

(b) Rasterkraftmikroskopie-Aufnahme der erzeugtem Material-Oberfläche. Die Quadrate mit implantierten Kohlenstoff-Ionen sind mit weißen Linien markiert

(c / d) Die Nano-Drähte sind auf der Magnetkraftmikroskopie-Aufnahme gut zu erkennen, (c) mit von außen angelegtem Magnetfeld von 50 Millitesla, (d) mit umgekehrtem Magnetfeld.
(Reprinted with permission from C. Sürgers, N. Joshi, K. Potzger, T. Strache, W. Möller, G. Fischer, H. v. Löhneysen, "Magnetic order by C-ion implantation into Mn5Si3 and Mn5Ge3 and its lateral modification", in: Applied Physics Letters, 12 August 2008, Vol. 93, Issue 6, Copyright 2008, American Institute of Physics / Abdruck mit freundlicher Genehmigung vom American Institute of Physics)

Veröffentlichung:
C. Sürgers, N. Joshi, K. Potzger, T. Strache, W. Möller, G. Fischer, H. v. Löhneysen, "Magnetic order by C-ion implantation into Mn5Si3 and Mn5Ge3 and its lateral modification", in: Applied Physics Letters, Vol. 93, Issue 6 (2008), DOI: 10.1063/1.2969403.

Weitere Informationen:
Dr. Kay Potzger
Forschungszentrum Dresden-Rossendorf
Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung
Tel.: 0351 260 - 2423

Dr. Christoph Sürgers
Physikalisches Institut / Zentrum für funktionale Nanostrukturen
Universität Karlsruhe
Tel.: 0721 608 3456

Pressekontakt:
Dr. Christine Bohnet
Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD)
Bautzner Landstr. 128
01328 Dresden
Tel.: 0351 260 - 2450 oder 0160 969 288 56
Fax: 0351 260 - 2700