Kontrollierte Bildung von magnetischen Nanokristallen in DMS

In den letzten Jahren wurden wesentliche Fortschritte erzielt, um neue Funktionalitäten ferromagnetischer Halbleiter als auch kombinierter Halbleiter- und ferromagnetischer Metallstrukturen zu demonstrieren. Die zu erwartenden Anwendungen für diese Systeme benötigen jedoch neue Materialien mit ferromagnetischer Ordnung bei oder über Raumtemperatur. Intensiven Forschungsaktivitäten weltweit ist es zu verdanken, dass bisher Ferromagnetismus in einer Anzahl von Nitriden und Oxiden, dotiert mit Übergangsmetallen oder seltenen Erden, oder sogar in Materialien, welche nicht mit magnetischen Ionen dotiert wurden, nachgewiesen werden konnte. Diese experimentellen Resultate konnten in einigen Fällen theoretisch mittels ab-initio Kalkulationen simuliert werden. Es zeigt sich jedoch immer deutlicher, dass der eigentliche Ursprung von Ferromagnetismus bei hohen Temperaturen in Halbleitern noch nicht geklärt ist. Speziell einige erst kürzlich durchgeführte Studien, inklusive unserer eigenen über (Ga, Fe)N, haben gezeigt, dass das Auftreten ferromagnetischer Eigenschaften bei hohen Temperaturen mit dem Phänomen der "spinodal decomposition", d.h. der Ausbildung von getrennten Regionen mit niedrigen und hohen Konzentrationen magnetischer Ionen, verbunden ist. Dementsprechend stammt das ferromagnetische Verhalten von Regionen mit hohen Konzentrationen, die als magnetische Nanokristalle in einer nicht-magnetischen Matrix, betrachtet werden können. Das Hauptziel des vorliegenden Projekts ist nun die grundlegende Untersuchung, ob und wie die kontrollierte Beeinflussung des Fermi-Levels in verdünnten magnetischen Halbleitern, neben deren Auswirkung auf die Ladungsträger-induzierte Spin-Spin-Wechselwirkung und Selbstkompensation, auch Einfluss auf das Phänomen der "spinodal decomposition" hat. Dies wurde erst kürzlich theoretisch vorhergesagt, jedoch bisher nicht experimentell nachgewiesen, hätte aber große Auswirkung für die Inkorporation und Anhäufung magnetischer Ionen in der Halbleitermatrix. Homogen- und -dotiertes (Ga, Fe)N:Mg und (Ga, Fe)N:Si werden daher als Materialsysteme der Wahl mittels Metallorganischer Dampfphasenabscheidung hergestellt und systematisch im Nano-Bereich mit Hilfe von state-of-the-art Charakterisierungstechniken aus der Elektronenstrahl-, und Rasterproben-Mikroskopie als auch mittels Synchrotronstrahlungstechniken untersucht. Die magnetischen, optischen und elektrischen Eigenschaften der Materialsysteme werden zudem zusätzlich unter dem Gesichtspunkt der erhaltenen Verteilung der magnetischen Ionen und in Abhängigkeit zur Oberflächenmorphologie bestimmt. Die Charakteristika der untersuchten Systeme werden ebenfalls im Hinblick hin auf ihre Verwendungsmöglichkeit in zukünftigen funktionellen Bauelementen evaluiert. Schließlich soll bestimmt werden, in welchem Ausmaß die für (Ga, Fe)N erhaltenen Ergebnisse auf die gesamte Familie der verdünnten magnetischen Halbleiter und Oxide übertragbar sind.

Die letzten Jahre waren Zeuge des raschen Fortschritts hinsichtlich der Demonstration neuer Funktionalitäten von ferromagnetischen Halbleitern und hybriden Strukturen aus Halbleitermaterialien und ferromagnetischen Metallen. Die angedachten Anwendungen dieser Systeme erfordern dabei jedoch die Entwicklung von Materialien, welche ferromagnetische Ordnung bei Raumtemperatur aufweisen. Während ursprünglich die Erwartungen für zuverlässige und flexible Anwendungen in homogenen Strukturen lagen, stellte sich in der Folge mehr und mehr heraus, dass Phasen-separierte Systeme unerwartete und bemerkenswerte Eigenschaften aufwiesen. Im Rahmen dieses Projekts konnten wir dabei zeigen, dass die Bildung von funktionalen, magnetischen Nanokristallen, welche in einer Nitrid- Matrix eingebettet sind, durch Co-Dotierung mit Donatoren und Akzeptoren, d.h. durch Einstellen der Fermi- Energie, kontrolliert werden kann. Weiters konnten wir ein Phasendiagramm für die Bildung der Nanokristalle als Funktion der Herstellungsparameter erstellen, wodurch eine präzise Korrelation zwischen Wachstumsbedingungen, struktureller Anordnung und den resultierenden, magnetischen Eigenschaften möglich wurde. Diese Resultate stellen dabei einen signifikanten Schritt für die Kontrolle der makroskopischen Eigenschaften, durchgeführt auf nanoskopischer Ebene, von technologisch wichtigen Halbleiter-/ferromagnetischen Metall- Nanokompositmaterialien dar.