Leitfähigkeit in Antiferromagnetischem Halbleiter

Im Rahmen eines Post-Doc Projektes werde ich strukturelle Eigenschaften sowie magnetfeldabhängige Leitfähigkeit von anti-ferromagnetischen halbleitenden dünnen Schichten untersuchen. Das Projektziel ist die Demonstration einer Spin-abhängigen Leitfähigkeit in einem Halbleiter nahe Raumtemperatur. Für die Durchführung des Projektes werde ich in den Forschungsgruppen von Prof. Vclav Hol (Karls-Universität zu Prag/Tschechien) und Prof. Tomš Jungwirth (Institute of Physics ASCR in Prag/Tschechien) arbeiten. Aktuell beschränken sich Spin-elektronische Anwendungen großteils auf die Verwendung von metallischen Ferromagneten. Als Beispiel seien Leseköpfe in magnetischen Datenträgern genannt, welche auf der Basis von zwei dünnen CoFe Schichten arbeiten. Ein grundlegend anderer Ansatz ist die Verwendung von Antiferromagneten als bestimmende Schicht in solchen Spin elektronischen Bauelementen. Es ergeben sich aufgrund des kompensiertenmagnetischenMoments eines Antiferrromagneten jedocheinige Anwendungsvorteile. Kürzlich wurde von den Gruppen von Prof. Hol und Jungwirth auch ein erster Tunnelkontakt basierend auf einem metallischen Antiferromagneten demonstriert, welcher abhängig von der Magnetfeldrichtung stark unterschiedlichen elektrischen Widerstand zeigt. Dieser Tunnelkontakt konnte jedoch nur bei tiefkalten Temperaturen betrieben werden. In meinem Erwin Schrödinger Stipendium möchte ich dieses Anwendungskonzept erweitern und die vertikale Leitfähigkeit von Metal/MnTe/Ferromagnet Schichtstrukturen untersuchen um zu zeigen das auch in diesen Strukturen und bei höheren Temperaturen ein magnetfeldabhängiger Widerstand existiert. MnTe is ein II-VI Halbleiter mit einer Übergangstemperatur über Raumtemperatur (310 K) und besteht mit Mn aus dem Element mit dem größten magnetischen Moment unter denÜbergangsmetallen. Nach eingehender Strukturuntersuchung mittel Röntgenbeugung werden wir die Leitfähigkeit von MnTe Schichten, die Austauschwechselwirkung an Grenzflächen von MnTe mit Eisen und die anfangs erwähnte magnetfeldabhängige Leitfähigkeit in 3-Schichtstrukturen aus einem Metal, MnTe und einem Ferromagneten untersuchen. Während der Rückkehrphase an das Institut für Halbleiter und Festkörperphysik der Universität Linz soll die Abhängigkeit der Leitfähigkeit von der Verspannung in MnTe untersucht werden. Die Verspannung wird mittels Wachstum auf unterschiedlichen Substraten sowie durch direkte Manipulation mittels piezoelektrischen Aktuatoren erzeugt werden. Letzteres bietet den Vorteil das die Verspannung mittels einer elektrischen Spannung im Experiment beeinflusst werden kann.

Der magnetische Zustand von antiferromagnetische Materialien gilt gemeinhin als kaum durch ein magnetisches Feld manipulierbar was Antiferromagneten auch intrinsisch schwer zu detektieren macht. Mit den Arbeiten in diesem Schrödinger Stipendium konnte sowohl die Manipulierung eines kompensierten Antiferromagneten mittels eines magnetischen Feldes beim Kühlen durch dessen Übergangstemperatur als auch die elektrische Detektion seines Zustandes, gezeigt werden. Weiters zeigte sich, dass magnetische Zustände, welche durch das Kühlen im magnetischen Feld durch die Übergangstemperatur erzeugt wurden, auch stabil bleiben wenn das magnetische Feld nicht mehr präsent ist. Dies bedeutet, dass sich die betreffenden Zustände besonders gut als Speicherzustände in magnetischen Festplatten eignen. Im Unterschied zu gebräuchlichen magnetischen Speicherelementen, welche lediglich bistabil sind, können diese antiferromagnetischen Zustände mehrere stabile Zustände annehmen. Im Zusammenhang mit der allgemeinen großen Widerstandsfähigkeit von Antiferromagneten gegenüber magnetischen Feldern weisen die erzeugten Zustände erhebliche Stabilität auf solange eine Temperatur unter der magnetischen Übergangstemperatur beibehalten wird. Realisiert wurden diese Speicherzustände in hexagonalem antiferromagnetischen MnTe, welches in Form von dünnen Filmen auf dem gebräuchlichen III/V-Halbleiter InP abgeschieden wurde. MnTe selbst ist ebenfalls ein Halbleiter, dessen Eigenschaften durch Dotierung beeinflusst werden können. Unsere Ergebnisse scheinen auch relevant für Anwendungen, weil die Möglichkeit mehrere Zustände in einem Speicherelement zu speichern eine Strategie ist um die Speicherdichte von magnetischen Speichern zu erhöhen. Ein Speicherelement könnte also in Zukunft mehr als nur die Zustände 0 und 1 beinhalten und so mehrere Bits in einer elementaren Einheit vereinen. Das Auslesen der Speicherzustände geschieht dabei durch eine vergleichsweise einfache elektrische Messung des elektrischen Widerstandes. Der zugrundeliegende Effekt, der anisotrope Magnetowiderstand, bestimmt dabei den Widerstandswert abhängig von der relativen Orientierung von Strom und den magnetischen Momenten, welche je nach Speicherzustand im Mittel in unterschiedliche Richtungen zeigen. Mit starken Magnetfeldern konnte direkt nachgewiesen werden, dass der anisotrope Magnetowiderstandseffekt in Antiferromagneten die gleiche Symmetrie wie in Ferromagneten aufweist.