Magnetische Nanostrukturen

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1 Magnetische Nanostrukturen
Heinz KRENN Arbeitsgruppe Magnetometrie & Photonik Institut für Experimentalphysik Seminar „Nanostrukturierte Festkörper“ 8. Jänner Institut für Materialphysik/Univ. Wien

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 1984 - 2000
x 2,5 von x 170 von

4 Die Verkleinerung magnetischer Strukturen
zur nichtflüchtigen Datenspeicherung Skala Skala N S Anisotropie > Entmagnetisierung Nichtflüchtigkeit Ku N N S Hd Skalieren mit dem Volumen ! Superparamagnetischer Limit: M Thermische Fluktuation

5

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

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

8 20 Giga-Bytes 400 Giga-Bytes 2003 2000 Traditionelle Hard-Disk
Neuartige 3-Schicht-Disk (mit antiferromagnetischer Kopplung) 400 Giga-Bytes (Inhalt von 400,000 Büchern) Movies - Digitales Video Lesekopf 2003 60 nm 300 nm 2000

9 Indirekte Austauschwechselwirkung über das freie Elektronengas
kx ky kF r H(r) q=2p/l Fermikugel Periodische Störung H(r)=Hq 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=2kF cPauli q cq Für beliebige Magnetfeldstörung:

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

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

13 RKKY-Austauschgekoppelte Fe/Cr/Fe-Schichten
H [kG] R(H)/R0 Abnehmende Cr- Schichtdicke 18 Å 12 Å 9 Å Fe Cr 30 Å

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

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

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

17 Magnetisierung Magnetowiderstand

18 Spin-Valves (Spin-Filter ohne Austauschkopplung)
M Co (100 Å) Au (60 Å) Co (200 Å) R(H)/R0 Hc1< H < Hc2 H > Hsat De Broglie-l = 0,5 nm Spin Spin Spin Freie Weglänge: 5-10 nm Spin

19 Exchange-Bias Spin-Valves
Cap Layer 9 nm Fe50Mn50 antiferromagnetic Pinning Layer 2,2 nm NiFe Pinned Layer 3,2 nm nonmagnetic Cu Layer 5,3 nm NiFe „Free“ Layer Buffer Layer & Substrate M Magnetisierung Koppelfeld H Exchange Bias Feld H R(H)/R0 Magnetowiderstand

20 Magnetoresistiver Lesekopf
H

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

22 Die Problematik, den Elektronspin zu steuern ….
Direkter Zugriff durch ein Magnetfeld: 1 Durch elektrisches Feld (Spin-Bahn-Kopplung) 2 Vgate 2D-Inversionskanal Fe Strom in y-Richtung z s v E = -dV/dz Spin-Bahn-Effekt für die 1dim Bewegung HRashba  [s x v]·(-dV/dz) Permalloy (Ni0,8Fe0,2) Strom in x-Richtung Zirkular-polarisiertes Licht 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) Ga1-xMnxAs, In1-xMnxAs Pb1-xEuxTe, Cd1-xMnxTe 3 Granulare Magnete in Halbleitern: Superparamagnetische MnAs, GaMn-Ausscheidungen in GaAs, GaN

24 Vergleich Cu:Mn mit Ga0.95Mn0.05As p = 31020 cm-3

25 Curie-Temperatur ferromagnetischer Halbleiter
5% Mn-Substitution Hypothetische p-Kon- zentration: p = 31020 cm-3 Nach T. Dietl et al., Science 287, 1019 (2000)

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

27 Lichtinduzierter Ferromagnetismus
hn hn B (In,Mn)As 120 Å GaSb 5000 Å GaAs Eg EF beleuchtet 5 K Hall-Widerstand (mW) unbeleuchtet B(T)

28 Bidirektionales Spin-Filter
HL FM Spinpolarisation Im Metall: P0 = R2 – R1 R2 + R1 R R2 Parallele Magnetisierung HL FM Antiparallele Magnetisierung Spin-Filterwirkung: F = j -j j +j = P02 RHL 2 [1 + RFM (1 - P02)] - 1 F HL FM R1 R2 R R R2 Antiparallele Magnetisierung HL FM RHL = R/2 RFM = R1//R2

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

30 Mean-Field Modellrechung von Wenig-Monolagen EuTe
PbTe [111] 2 Monolagen EuTe PbTe 3 Monolagen H ferro ferro Spin-flop Spin-flop ferri 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 H 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

34 & Monte Carlo Simulation
magnetometrische Messung des Blockier-Effekts & 100 nm > 1 µm 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 GKSS Geesthacht Research Center, Prof. Clemens Neutronenbeugung: (P „Nanomagnete in Halbleitern“)

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