Nanomagnete in Halbleitern und an Halbleitergrenzflächen

Das Studium des kooperativen Magnetismus in reduzierten Dimensionen ist nicht nur ein herausforderndes Gebiet für die Grundlagenforschung, sondern auch für mögliche neue Anwendungen. Als Projektziel wird angestrebt, die magnetischen Phasen und die Evolution von magnetischen Wechselwirkungen zu untersuchen, ausgehend von den (i) wohlgeordneten zweidimensionalen (2D) magnetischen Schichten eines Halbleiter-Übergitters, (ii) irregulären Anordnungen kleiner magnetischer Partikeln in diamagnetischen Halbleitern oder irregulären 2D magnetischen Inseln an Halbleiter-Grenzschichten, bis zu (iii) regulären Gitter-Anordnungen von superparamagnetischen Partikeln auf Halbleiteroberflächen. Die Vielfalt der möglichen magnetischen Phasen von niedrigdimensionalem, antiferromagnetischem EuTe und metamagnetischem EuSe wurde bereits in früheren Arbeiten des Antragstellers berechnet. Es wird daher im Projekt angestrebt, die vorausgesagten magnetischen Phasen von EuTe/PbTe- und EuSe/EuTe-Übergittern auch durch hochempfindliche Josephson (SQUID) Magnetometrie experimentell nachzuprüfen. Unvollkommenheiten des Wachstums wie etwa Inseln und fraktionale Schichten an den Grenzflächen zwischen unterschiedlich magnetisch geordneten Schichten (wie sie in einer Übergitterstruktur vorkommen) wirken als superparamagnetische Teilchen. Ihre Wechselwirkungen und die Kristallfeld- und Gestaltsanisotropie beeinflußen die meisten mikromagnetischen Eigenschaften (Magnetisierungsprofil, Hysterese-schleifen, metastabile Zustände). Sie können systematisch untersucht werden durch eine gezielte Veränderung entweder der Größe/Gestalt oder des Abstands der magnetischen Partikel. So kann die dipolare Wechselwirkung zwischen den superparamagnetischen Teilchen (Teilchengröße 10 - 100 nm) willkürlich eingestellt werden, indem durch lithographische Techniken reguläre (1000x1000) Punktgitter von kreisförmigen Nano-Teilchen mit unterschiedlichem Gitterabstand auf einer Halbleiteroberfläche hergestellt werden. Weiters werden regellose Anordnungen von superparamagnetischen Inseln untersucht, die durch fraktionales Wachstum von Einzellagen (Monolagen-Fluktuationen) oder durch ferromagnetische Ausscheidungen in einem implantierten (unmagnetischen) Halbleiter verursacht werden. Verschiedene magnetometrische Untersuchungsmethoden sollen in einem weiten Magnetfeld- (0-7 T) und Temperaturbereich (1.6 - 300 K) angewandt werden. Für zukünftige Anwendungen ist die Aufklärung der magnetischen Ordnung und magnetischen Wechselwirkungen niedrigdimensionaler magnetischer Strukturen sehr wichtig, um eine mögliche Verbindung zwischen Magnetismus, Elektronik und Optik herzustellen.

Das magnetische Verhalten von fester Materie ist seit alters her von großem Interesse, aber durch die hohe Komplexität noch immer nicht voll verstanden. Forschungsgebiete wie Festkörperphysik, Chemie und neuartige Technologien sind nun reif geworden, magnetische Materialien und Strukturen in sehr kleinen Dimensionen mit außergewöhnlichen Eigenschaften herzustellen. Effekte wie Riesenmagnetowiderstand und ultrahohe Speicherdichten in magnetischen Speichermedien haben die Kommunikationsindustrie revolutioniert. Die Basis für diese Errungenschaften ist eine gründliche Kenntnis der fundamentalen Wechselwirkungen in einem magnetischen Körper und deren Evolution, wenn die Dimension des magnetischen Objekts zu Nanometergröße reduziert wird. Das Projekt hat zu einem tieferen Verständnis der vielfältigen magnetischen Phasendiagramme von Metamagneten, künstlich hergestellten Vielfachschichten und ferromagnetischen Halbleitern beigetragen, indem Computer- Simulationen mit Messungen der Magnetisierung bei variablem Magnetfeld und (tiefer) Temperatur verglichen wurden. Die Proben stammten von der Universität Linz und aus den USA. Die nachhaltigste Verbesserung der Infrastruktur war die Installation eines hochempfindlichen, auf modernstem Stand befindlichen Josephson (SQUID) Magnetometers, derzeit wohl herausragend in Österreich. Magnetometrie ist ein integrierendes Messverfahren, welches die Nano-Welt der magnetischen Atome mit dem makroskopischen Verhalten verknüpft, welches sich in Hystereseschleifen und Temperaturkurven manifestiert. Magneto-optische Untersuchungen sind mehr lokale Sonden, da optische Anregungen selektiv auf interne elektronische Übergänge des Festkörpers und seiner Bestandteile reagieren. Daher wurden magneto-optische Kerr Reflexionsspektren (gemessen an der Univ. Bayreuth) mit magnetometrischen Daten verglichen, um wesentliche Parameter zu extrahieren und subtile Unterschiede zwischen beiden Messverfahren aufzuklären. Grenzflächen zwischen magnetischen und nichtmagnetischen Medien wirken auf magnetische Wechselwirkungen verstärkend, sodass magnetische Nano- Komposite (Teilchen und Drähte in einer Matrix) mit hohem Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis neuartige unvorhergesehene Eigenschaften hervorrufen. Durch elektrochemische Ablagerung von Nickel in einer porösen Silizium-Matrix wurde erfolgreich ein neuartiger heterogener ferromagnetischer Halbleiter hergestellt, mit Aussicht auf eine Anwendung als neuartiger Hochfeld-magnetoresistiver Sensor. Nanoskopische magnetische Ausscheidungen in Stahl unter starker plastischer Verformung wurden ebenfalls gemessen, um die Einsatzfähigkeit hochempfindlicher Magnetometrie in der Industrie für die Untersuchung von funktionalen Werkstoffen zu demonstrieren. Die enge Zusammenarbeit mit dem Österreichischen Zentrum für Elektronenmikroskopie an der TU Graz hat den Fortschritt unserer Arbeit stark gefördert, was ausdrücklich anerkannt werden soll.