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Ferromagnetisches Nanonetzwerk im Halbleiter Germanium

Nachricht vom 12.01.2012

Wissenschaftler aus dem Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) haben in Kooperation mit der Industrie einen Fortschritt bei der Herstellung von ferromagnetischen Halbleitern erzielt: Ihnen ist es gelungen, mit Hilfe von Ionenimplantation und gepulster Laserausheilung ein in den Halbleiter Germanium eingebettetes ferromagnetisches Nanonetzwerk herzustellen. Dieses Nanonetz weist wegen seiner hohen Manganhaltigkeit besondere elektrische und magnetische Eigenschaften auf, welche in zukünftigen Speichertechnologien und anderen neuartigen Halbleiter-Spintronik-Bauelementen wichtig sein könnten. Die Arbeiten wurden vor kurzem im Fachjournal "Applied Physics Letters" (doi:10.1063/1.3674981) veröffentlicht.

Spätestens seit der Entdeckung des Riesenmagnetowiderstandes durch A. Fert und P. Grünberg, der im Jahr 2007 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurde, untersuchen weltweit Forschergruppen den Einfluss von Spins - das sind besondere magnetische Momente von Ladungsträgern wie Elektronen - auf die elektrischen Eigenschaften von neuartigen Materialien.

Bei der flüchtigen Informationsspeicherung müssen derzeit noch die Informationen im Arbeitsspeicher eines Computers im Millisekunden-Zyklus aufgefrischt werden. Dies führt zu einem ständigen Verbrauch an Energie, selbst wenn die gespeicherten Informationen unverändert bleiben. Eine nichtflüchtige und damit energiesparende Informationsspeicherung erwarten Experten gerade für neuartige ferromagnetische Halbleitermaterialien.

Gefördert durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung ist es dem Physiker Danilo Bürger und seinen HZDR-Kolleginnen und Kollegen in Kooperation mit der Innovavent GmbH in Göttingen nun gelungen, die Bildung eines ferromagnetischen Nanonetzes im Halbleiter Germanium nachzuweisen. Dieses Nanonetz ist reich an Mangan und die elektrischen Eigenschaften der Ladungsträger können an die magnetischen Eigenschaften des Nanonetzes koppeln. Schickt man einen elektrischen Strom durch das Nanonetzwerk, werden die Ladungsträger entsprechend der vorhandenen Magnetisierung abgelenkt und das Vorzeichen der erzeugten Spannung senkrecht zum Stromfluss gibt Auskunft über die im Nanonetz gespeicherte Information.

Dazu wurden im Ionenstrahlzentrum des HZDR Mangan-Ionen mit einer Konzentration von rund 10 Prozent in Germanium oberflächennah implantiert. Während der anschließenden Laserausheilung wurde das implantierte Germanium für einige 100 Nanosekunden oberflächennah aufgeschmolzen. Wie Danilo Bürger zeigen konnte, bringt die schnelle Abkühlung von Germanium-Legierungen neue und erstaunliche physikalische Eigenschaften hervor. Durch eine instabile Rekristallisationsfront wird das Mangan innerhalb einer Mikrosekunde seitlich verdrängt und bildet schließlich ein ferromagnetisches Nanonetzwerk über die gesamte Halbleiteroberfläche aus. Dies zeigt nicht zuletzt, welch großes Potential in der Materialforschung auf dem Gebiet der Laserausheilung liegt.

Ermöglicht wurde die Herstellung dieser neuartigen Materialien auch durch die Kooperation mit der Firma Innovavent, welche den Laser und das Optiksystem zur Formung des Laserstrahls zur Verfügung stellte. Die Forschung am Materialsystem Germanium-Mangan geht indes weiter. Ziel ist es, die Abkühlraten nach der Laserausheilung weiter zu optimieren.

Zu bemerken ist, dass im Jahr 2011 der Nobelpreis in Chemie für die Entdeckung von quasiperiodischen Kristallen, die durch eine schnelle Abkühlung einer Aluminium-Mangan-Legierung hergestellt werden können, vergeben wurde.

Autor: Danilo Bürger