Struktur, Magnetismus und Transport des Zn-Co-O Systems

Es ist einer der großen Herausforderungen für die Materialwissenschaften, ein halbleitendes Material zu finden, das bis hinauf zu Raumtemperatur ferromagnetisches Verhalten zeigt. Das Vorhandensein eines derartigen Materialsystems wäre der technologische Durchbruch für spinelektronische Bauelemente mit neuartigen Funktionen und/oder reduziertem Energieverbrauch. Viele potentiell interessante Materialsysteme sind während des letzten Jahrzehnts untersucht worden, jedoch mit sehr begrenztem Erfolg bzw. ungenügender Reproduzierbarkeit. Das Ziel dieses Projekts ist es, eine neuartige Perspektive für die Ausbildung ferromagnetischer Ordnung in einem verdünnten magnetischen Halbleiter- (DMS-) Material, Co-dotiertes ZnO, zu untersuchen, die auf der Realisierung extrem hoher Dotierkonzentrationen beruht, welche sich durch die gute Löslichkeit von Co in ZnO ergibt. Desweitern soll der Übergang zum ZnCo 2 O4 Spinell, einem kürzlich etablierten optisch transparenten p-Typ Oxide (TCO), untersucht werden. In anderen Worten soll das Zn-Co-O System in der gesamten Breite seiner mög-lichen Zusammensetzungen erforscht werden, was insbesondere den Übergang von n-type DMS in Wurtzitstruktur zum p- type TCO in Spinellstruktur betrifft. Alle Proben werden mit reaktivem Magnetron-Sputtern im Ultrahochvakuum hergestellt. Diese Präparationstechnik ist in der Lage, wohldefinierte, epitaktische Schichten herzustellen ohne daß es zur Ausbildung von Sekundärphasen kommt. Die Charakterisierung geschieht im Hinblick auf die strukturellen, magnetischen und Magneto-Transport Eigenschaften, wobei die elementspezifischen, Synchrotron-basierten spektroskopischen Methoden hervorzuheben sind, welche mit Simulationen der entsprechenden Spektren verglichen werden. Ferner sollen die magnetischen und elektrischen Eigenschaften mittels Kodotierung mit Cu bzw. Ni optimiert werden. Zusammenfassen hat der Gegenstand des hier vorgeschlagenen Projekts wichtige Implikationen in zweierlei Hinsicht: zum einen hinsichtlich der Realisierung von magnetischer Ordnung durch Koaleszenz, zum anderen hinsichtlich des Übergangs von n- nach p-Leitfähigkeit in einem Oxid durch die Zusammensetzung eines ternären Oxids. Letzteres zielt auf die Herstellung von (transparenten) oxydischen p/n Übergängen, welches ein bedeutender Schritt hin zu einer reinen Oxyd-Elektronik ist.

Im FWF Projekt Struktur, Magnetismus und Transport des Zn-Co-O Systems wurde ein funktionelles Oxid untersucht, an dessen einem Ende das Co-dotierte ZnO steht, was intensiv als neues Material untersucht wurde, in dem ferromagnetische Ordnung durch magnetische Dotierung induziert werden könnte. Derartige Materialien wären für neue, energieeffiziente Computeranwendungen von Interesse, in denen die Nutzung des Spinfreiheitsgrades die Performance steigern könnte. Allerdings hatten sich die frühen Voraussagen als nicht machbar herausgestellt. Ein zentraler Ansatz des Projektes war, die verbleibenden Möglichkeiten zu erkunden, um doch noch magnetische Ordnung durch eine immer höhere Co Konzentration in Co:ZnO zu erreichen. Eine vorher nie erreichte Konzentration von 60% konnte realisiert werden und tatsächlich ordnete das Material magnetisch, allerdings nur weit unter- halb von Raumtemperatur. Überraschenderweise konnte in diesem Material eine robuste Magnetisierung induziert werden, indem man das Material im Magnetfeld abkühlt, ein als Exchange-Bias bekanntes Phänomen. Normalerweise findet man Exchange Bias nur in Heterostrukturen aus Ferro- und Antiferromagneten, welche z.B. in Leseköpfen von Festplatten zum Einsatz kommen. Hier wurde jedoch ein antiferromagnetisches System gefunden, in dem dieser Effekt separat auftritt und es so ermöglicht, die Eigenschaften der unkompensierten magnetischen Momente getrennt zu untersuchen, was für ein besseres Verständnis des Exchange Bias an sich von Bedeutung ist. Daneben ermöglichte die hohe Co Konzentration es auch, den Übergang von 60% Co:ZnO zum ZnCo2O4 Spinell zu untersuchen. Hier ändern sich nahezu alle physikalischen Eigenschaften der Co Ionen: der Oxidationszustand ändert sich von 2+ nach 3+ und die Ionen sind mit 6 statt 4 nächsten Nachbarn umgeben. Ferner ändert sich die Farbe von grün zu braun und auch die Art der Ladungsträger von Elektronen zu Löchern. Dieser Übergang konnte im Detail untersucht werden und es stellte sich heraus, dass diese Eigenschaften eng miteinander verbunden sind. Leider ergab sich jedoch keinerlei Änderung der antiferromagnetischen Eigenschaften, ebenso wurde gefunden, dass der elektrische Widerstand für praktische Anwendungen zu hoch ist. Es ergab sich allerdings eine andere, nützliche Anwendung. Es ist bekannt, dass Al- Dotierung von ZnO zu einem transparenten, jedoch leitfähigen Material führt. In Kombination mit dem n-leitenden Co:ZnO und dem p-leitenden Spinell war es möglich, eine rein auf Oxiden basierende Solarzelle her- zustellen und erste funktionierende Solarzellen werden derzeit getestet und optimiert. Zusammenfassend wurden verschiedene Wege erkundet magnetische Ordnung im Zn-Co-O System zu erreichen und ein neuartiges Modellsystem für unkompensierten Antiferromagnetismus wurde gefunden. Außerdem wurden erste funktionsfähige Bauteile aus einer oxydischen Heterostruktur hergestellt und getestet, welche auf dem detaillierten Verständnis des Materialsystems beruhen, welches im Rahmen dieses Projektes erreicht wurde.