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Magnetische Nanostrukturen Institut für Experimentalphysik Arbeitsgruppe Magnetometrie & Photonik Seminar Nanostrukturierte Festkörper8. Jänner 2003 Institut.

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1 Magnetische Nanostrukturen Institut für Experimentalphysik Arbeitsgruppe Magnetometrie & Photonik Seminar Nanostrukturierte Festkörper8. Jänner 2003 Institut für Materialphysik/Univ. Wien Heinz KRENN

2 Scope Ultradünne magnetische Schichtstrukturen für die Magnetoelektronik Magnetische Datenspeicherung Spinabhängiger Transport für die Spintronic Spingesteuerte Halbleiterelektronik Eigene Untersuchungen Phasenübergänge in Wenig-Monolagen-Heisenberg Antiferromagneten

3 Die Entwicklung der Speicherdichte in Hard-Disk-Drives von x 2,5 von x 170 von

4 Die Verkleinerung magnetischer Strukturen zur nichtflüchtigen Datenspeicherung NNSSNS Skala Anisotropie > Entmagnetisierung Nichtflüchtigkeit KuKu Skalieren mit dem Volumen ! Superparamagnetischer Limit:M Thermische Fluktuation NS HdHd N

5

6 Single-Domain Particle Kristall-Anisotropie H H M H H H H H H

7 Superparamagnetic Particle H Kristall-Anisotropie H M 20 nm Thermische Energie H

8 Traditionelle Hard-Disk 20 Giga-Bytes Neuartige 3-Schicht-Disk (mit antiferromagnetischer Kopplung) 400 Giga-Bytes (Inhalt von 400,000 Büchern) Movies - Digitales Video Lesekopf 60 nm 300 nm

9 Indirekte Austauschwechselwirkung über das freie Elektronengas kxkx kyky kFkF Fermikugel r H(r)H(r) q=2 / Periodische Störung H(r)=H q cosq·r Ungestörte Wellenfunktionen: Blochwellen Störoperator für Störungsrechnung 1. Ordnung: Gestörte Wellenfunktion: wobei als ungestörte Energie die kinetische Energie eingesetzt wird.

10 Magnetisierung des Elektronengases: Zustandsdichte q=2k F Pauli 0 q q Für beliebige Magnetfeldstörung:

11 Punktförmige magnetische Störung (magnetisches Ion) RKKY- Suszeptibilität: r (r)

12 Ruderman-Kittel-Kasuya-Yoshida-Wechselwirkung Cu 0,6 nm 0,7 nm

13 RKKY-Austauschgekoppelte Fe/Cr/Fe-Schichten Fe Cr Fe 30 Å H [kG] R(H)/R 0 Abnehmende Cr- Schichtdicke 18 Å 12 Å 9 Å

14 Magneto-Widerstand AMR = Anisotropic Magnetoresistance (1857) 2-4% GMR = Giant Magnetoresistance (1988) 6-8% 100 % in Vielfachschichten TMR = Tunneling Magnetoresistance (1994) 20% CMR = Colossal Magnetoresistance (1993) % M(H) Strom M(0)

15 Zustandsdichte ferromagnetischer Übergangsmetalle (Co) s s d d EFEF Majoritäts- Spins Minoritäts- Spins s-Elektronen tragen zur Leitfähigkeit bei d-Elektronen tragen zur spin-abhängigen Streuung bei

16 Giant-Magnetoresistance-Effekte Parallele Magnetisierung Schicht 1 Barriere Schicht 2 Großer Majoritäts- trägerstrom Antiparallele Magnetisierung Kleiner Minoritäts- trägerstrom

17 Magnetisierung Magnetowiderstand

18 Spin-Valves (Spin-Filter ohne Austauschkopplung) Co (100 Å) Au (60 Å) Co (200 Å) H M R(H)/R 0 H c1 < H < H c2 H > H sat Spin De Broglie- = 0,5 nm Freie Weglänge: 5-10 nm

19 Exchange-Bias Spin-Valves Cap Layer 9 nm Fe 50 Mn 50 antiferromagnetic Pinning Layer 2,2 nm NiFe Pinned Layer 3,2 nm nonmagnetic Cu Layer 5,3 nm NiFe Free Layer Buffer Layer & Substrate Magnetisierung M H Koppelfeld Exchange Bias Feld Magnetowiderstand H R(H)/R 0

20 Magnetoresistiver Lesekopf H

21 Ladungs- und Spin-Transport Ladungstransport: Ladungs- und Spin-Transport: Axiales Magnetfeld Transversales Magnetfeld

22 Die Problematik, den Elektronspin zu steuern …. Permalloy (Ni 0,8 Fe 0,2 ) Strom in x-Richtung Strom in y-Richtung V gate 2D-Inversionskanal Fe E = -dV/dz z Spin-Bahn-Effekt für die 1dim Bewegung H Rashba [ x v]·(-dV/dz) v Zirkular-polarisiertes Licht Direkter Zugriff durch ein Magnetfeld: 1 Durch elektrisches Feld (Spin-Bahn-Kopplung) 2 Durch optisches Pumpen: 3

23 Ferromagnetische Metalle und Halbleiter 1 Spininjektion in Hybridsystemen Ferromagnet Halbleiter 2 Verdünnt magnetische Halbleiter, ferromagnetische Halbleiter (Mn, Eu, Cr –substituierte Halbleiter) Ga 1-x Mn x As, In 1-x Mn x As Pb 1-x Eu x Te, Cd 1-x Mn x Te 3 Granulare Magnete in Halbleitern: Superparamagnetische MnAs, GaMn-Ausscheidungen in GaAs, GaN

24 Vergleich Cu:Mn mit Ga 0.95 Mn 0.05 As p = cm -3

25 Curie-Temperatur ferromagnetischer Halbleiter Nach T. Dietl et al., Science 287, 1019 (2000) 5% Mn-Substitution Hypothetische p-Kon- zentration: p = cm -3

26 Feldinduzierter Ferromagnetismus B Isolator 0,8 µm InMnAs 5 nm (Al,Ga)Sb AlSb GaAs VgVg Hall-Widerstand ( ) B (mT)

27 Lichtinduzierter Ferromagnetismus (In,Mn)As B GaSb GaAs 120 Å 5000 Å h beleuchtet unbeleuchtet Hall-Widerstand (m ) B(T) 5 K EFEF EgEg h

28 HL FM R R2 R1 R HL FM Parallele Magnetisierung HL FM R1 R2 R R R HL FM Antiparallele Magnetisierung Bidirektionales Spin-Filter Antiparallele Magnetisierung Spinpolarisation Im Metall: P0 =P0 = R 2 – R 1 R 2 + R 1 Spin-Filterwirkung: F = j -j j +j = P02P02 R HL 2 [ 1 + R FM (1 - P 0 2 ) ] - 1 F R HL = R/2 R FM = R1//R2

29 Magnetisierung in den (111)-Ebenen Heisenberg Antiferromagnet EuTe Eu-Ionen 7/2 S Te-Ionen

30 Mean-Field Modellrechung von Wenig-Monolagen EuTe EuTe PbTe [111] 2 Monolagen EuTe PbTe EuTe 3 Monolagen ferro Spin-flop ferri Spin-flop ferro H FWF-Projekt P Nanomagnete in Halbleitern

31 Magnetisierung von EuTe/PbTe-Übergittern als Funktion von T [Kelvin] als Funktion von H [Gauss] Spin-Flop-Phase erwartet

32 Die bestimmende Rolle von Interface-Monolagenstufen auf den Magnetismus von EuTe/PbTe-Übergittern H

33 Raster-Tunnel-Mikroskop-Aufnahme einer EuTe/PbTe Doppelstruktur Monolagen Wachstumsspirale längs einer Schraubenversetzung 20 Monolagen EuTe auf PbTe-Buffer 1 µm

34 100 nm > 1 µm magnetometrische Messung des Blockier-Effekts & Monte Carlo Simulation von Monolageninseln auf einer Wachstumsspirale

35 Kooperationen und Förderungen Halbleiterproben: Eisenbeschichtete Si-Wafer: Angaris GmbH D Halle Ferromagnetische Resonanz: Institut für Experimentalphysik III Universität Bochum, Prof. Pelzl (P Nanomagnete in Halbleitern) GKSS Geesthacht Research Center, Prof. Clemens Neutronenbeugung:

36 Danksagung Dissertanten:F. Schinagl S. Holl K. Bierleutgeb P. Granitzer


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