Heusler-Legierungsschichten auf Halbleiter-Substraten

Untersuchungen von ferromagnetischen Dünnschichten auf Halbleitern sind weltweit ein wichtiges Forschungsthema. Von der Kombination ferromagnetischer mit halbleitenden Eigen-schaften erwartet man den Zugriff auf die Spininformation des Elektrons und somit entscheidende Fortschritte gegenüber der bisherigen, rein auf der Elektronenladung basierenden CMOS-Technologie. Bauelemente einer zukünftiger Spin- und Magnetoelektronik erfordern die Entwicklung ferromagnetischer Elektroden auf Halbleiter-Substraten, mit denen ein spinpolarisierter elektrischer Strom in den Halbleiter injiziert werden kann und/oder die eine hohe Änderung des Tunnelmagnetowiderstands (TMR) in magnetischen Tunnelelementen (MTJ) aufweisen. Ein vielversprechendes Materialsystem sind die halbmetallischen Ferromagnetika, die im Idealfall bis zu 100 % Spinpolarisation der leitenden Elektronen aufweisen, verbunden mit einer hohen Spin-Injektions-Effizienz sowie einem hohen TMR- Effekt. Eine prominente und seit dem letzten Jahrzehnt viel studierte Materialklasse mit halbmetallische Ferromagnetika sind die Heusler-Legierungen. Diese überwiegend ternären Verbindungen mit der Zusammensetzung XYZ (halber Heusler) und X2 YZ (vollständiger Heusler) bilden eine Kristallstruktur aus vier (beim XYZ-Typ ist eines unbesetzt) ineinander geschachtelten kubisch-flächenzentrierten Teilgittern. Dabei sind X und Y Übergangsmetalle, während Z ein Element der III.-V. Hauptgruppe ist (z. B. Co2 MnSi or NiMnSb). Aufgrund der komplizierten elektronischen Struktur findet man unter den Heusler-Legierungen unterschiedliche magnetische Konfigurationen (lokalisierter, itineranter, Ferro-, Antiferro- Helimagnetismus, etc.), was diese Materialklasse neben ihrer potentiellen technologischen Bedeutung auch aus rein wissen-schaftlicher Sicht sehr interessant macht. Dieser Projektantrag konzentriert sich auf die Entwicklung halbmetallischer Heusler-Legierungs-schichten auf den zwei technologisch führenden Halbleitersubstraten, GaAs(001) and Si(001), mit den Zielen, (i) effiziente Spin- Injektoren und (ii) MTJs mit hohem TMR-Effekt für Anwendungen in der Spin- und Magnetoelektronik zu realisieren. Die Kriterien für die Materialauswahl sind eine gute Gitter-Anpassung mit den Substraten sowie eine Curie-Temperatur deutlich oberhalb von Raumtemperatur. Im Besonderen geht es um ein Verständnis der bei der Molekularstrahl-Epitaxie ternärer Verbindungen involvierten Wachstumsmechanismen. Untersuchungen der mechanischen Spannungen beim Wachstum und Tempern der Filme werden wichtige in-situ Information zu Wachstum und Filmstruktur liefern, um zügig eine hohe epitaktische Güte bei optimaler kristallographischer Ordnung im Volumen und an den Grenzflächen zu erreichen. Weiters werden die magnetischen Eigenschaften der Heusler-Schichten als Funktion von Stöchiometrie, kristallographischer Ordnung und Zusammensetzung der Grenzfläche untersucht. Von besonderem Interesse sind dabei magnetische Anisotropien und die magnetoelastische Kopplung. Da letztere eng mit der Spin-Bahn-Wechselwirkung verknüpft ist, sind wertvolle Hinweise auf die Rolle von struktureller Unordnung zu erwarten. Um den Fortschritt und Erfolg unserer Arbeit zu bewerten, wird ein direktes Verfahren zur Raumtemperatur-Messung der Spin-Injektion und TMR-Effekt durch den spinpolarisierten Strom entwickelt.

Untersuchungen von ferromagnetischen Dünnschichten auf Halbleitern sind weltweit ein wichtiges Forschungsthema. Von der Kombination ferromagnetischer mit halbleitenden Eigenschaften erwartet man den Zugriff auf die Spininformation des Elektrons und somit entscheidende Fortschritte gegenüber der bisherigen, rein auf der Elektronenladung basierenden CMOS-Technologie. Bauelemente einer zukünftiger Spin- und Magnetoelektronik erfordern die Entwicklung ferromagnetischer Elektroden auf Halbleiter-Substraten, mit denen ein spinpolarisierter elektrischer Strom in den Halbleiter injiziert werden kann und/oder die eine hohe Änderung des Tunnelmagnetowiderstands (TMR) in magnetischen Tunnelelementen (MTJ) aufweisen. Ein vielversprechendes Materialsystem sind die halbmetallischen Ferromagnetika, die im Idealfall bis zu 100 % Spinpolarisation der leitenden Elektronen aufweisen, verbunden mit einer hohen Spin-Injektions-Effizienz sowie einem hohen TMR- Effekt. Eine prominente und seit dem letzten Jahrzehnt viel studierte Materialklasse mit halbmetallische Ferromagnetika sind die Heusler-Legierungen. Diese überwiegend ternären Verbindungen mit der Zusammensetzung XYZ (halber Heusler) und X2 YZ (vollständiger Heusler) bilden eine Kristallstruktur aus vier (beim XYZ-Typ ist eines unbesetzt) ineinander geschachtelten kubisch-flächenzentrierten Teilgittern. Dabei sind X und Y Übergangsmetalle, während Z ein Element der III.-V. Hauptgruppe ist (z. B. Co2 MnSi or NiMnSb). Aufgrund der komplizierten elektronischen Struktur findet man unter den Heusler-Legierungen unterschiedliche magnetische Konfigurationen (lokalisierter, itineranter, Ferro-, Antiferro- Helimagnetismus, etc.), was diese Materialklasse neben ihrer potentiellen technologischen Bedeutung auch aus rein wissenschaftlicher Sicht sehr interessant macht. Dieser Projektantrag konzentriert sich auf die Entwicklung halbmetallischer Heusler-Legierungsschichten auf den zwei technologisch führenden Halbleitersubstraten, GaAs(001) and Si(001), mit den Zielen, (i) effiziente Spin- Injektoren und (ii) MTJs mit hohem TMR-Effekt für Anwendungen in der Spin- und Magnetoelektronik zu realisieren. Die Kriterien für die Materialauswahl sind eine gute Gitter-Anpassung mit den Substraten sowie eine Curie-Temperatur deutlich oberhalb von Raumtemperatur. Im Besonderen geht es um ein Verständnis der bei der Molekularstrahl-Epitaxie ternärer Verbindungen involvierten Wachstumsmechanismen. Untersuchungen der mechanischen Spannungen beim Wachstum und Tempern der Filme werden wichtige in-situ Information zu Wachstum und Filmstruktur liefern, um zügig eine hohe epitaktische Güte bei optimaler kristallographischer Ordnung im Volumen und an den Grenzflächen zu erreichen. Weiters werden die magnetischen Eigenschaften der Heusler-Schichten als Funktion von Stöchiometrie, kristallographischer Ordnung und Zusammensetzung der Grenzfläche untersucht. Von besonderem Interesse sind dabei magnetische Anisotropien und die magnetoelastische Kopplung. Da letztere eng mit der Spin-Bahn-Wechselwirkung verknüpft ist, sind wertvolle Hinweise auf die Rolle von struktureller Unordnung zu erwarten. Um den Fortschritt und Erfolg unserer Arbeit zu bewerten, wird ein direktes Verfahren zur Raumtemperatur-Messung der Spin-Injektion und TMR-Effekt durch den spinpolarisierten Strom entwickelt.