Magnetische Nanostrukturen Heinz KRENN Arbeitsgruppe Magnetometrie & Photonik Institut für Experimentalphysik Seminar „Nanostrukturierte Festkörper“ 8. Jänner 2003 Institut für Materialphysik/Univ. Wien

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

Die Entwicklung der Speicherdichte in Hard-Disk-Drives von 1984 - 2000 x 2,5 von 1984 - 1990 x 170 von 1990 - 2000

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

Single-Domain Particle Kristall-Anisotropie H M H H

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

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

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.

Magnetisierung des Elektronengases: Zustandsdichte q=2kF cPauli q cq Für beliebige Magnetfeldstörung:

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

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

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

Magneto-Widerstand Strom M(H) M(0) AMR = Anisotropic Magnetoresistance (1857) 2-4% GMR = Giant Magnetoresistance (1988) 6-8% 100 % in Vielfachschichten TMR = Tunneling Magnetoresistance (1994) 20% CMR = Colossal Magnetoresistance (1993) 200-400%

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

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

Magnetisierung Magnetowiderstand

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

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

Magnetoresistiver Lesekopf H

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

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

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

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

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)

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

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)

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

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

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 15397 „Nanomagnete in Halbleitern“

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

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

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

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

Kooperationen und Förderungen Halbleiterproben: Eisenbeschichtete Si-Wafer: . . . . . . . . . Angaris GmbH D-06120 Halle Ferromagnetische Resonanz: Institut für Experimentalphysik III Universität Bochum, Prof. Pelzl GKSS Geesthacht Research Center, Prof. Clemens Neutronenbeugung: (P 15397 „Nanomagnete in Halbleitern“)

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