Magnetische Excitonen in Eu-chalkogenid Heterostrukturen

Eu chalkogenide sind Halbleiter die einzigartige magnetische Eigenschaften aufweisen. So ist EuTe bei tiefen Temperaturen antiferromagnetisch, EuS ferromagnetisch und EuSe zeigt metamagnetisches Verhalten. Die magnetischen Eigenschaften dieser Materialien, die sich aufgrund einer halb gefüllten Schale der 4f Elektronen der Eu Ionen ergeben, beeinflussen auch deren optischen Eigenschaften. Man beobachtet z. B. eine anormal starke Rotverschiebung der Absorptionskante dieser Halbleiter, wenn ein äußeres Magnetfeld angelegt wird. Außerdem ist die Lumineszenz von Eu chalkogeniden in Bezug auf die Absorptionskante stark zu kleineren Energien verschoben. Die Ursachen für diese einzigartigen Effekte sind noch nicht richtig verstanden, was weitere experimentelle als auch theoretische Untersuchungen notwendig mach. An unserem Institut werden Eu chalkogenide mit Molekularstrahlepitaxie hergestellt. Die so gewachsenen Schichten weisen eine weit aus bessere kristalline Qualität und Reinheit auf, als alle sonst verfügbaren Eu basierenden Kristalle. Deshalb können wir in EuTe, z. B., erstmals spektral schmale Lumineszenzübergänge beobachten, die im äußeren Magnetfeld über einen riesigen Spektralbereich durchgestimmt werden können. Aufgrund dieses Verhaltens ist EuTe vor allem für die Entwicklung neuer Spin-elektronischer Bauelemente sehr vielversprechend. Das Ziel dieses Projektes ist es einerseits, den riesigen Durchstimmbereich der Lumineszenzübergänge noch weiter zu vergrößern und andererseits, die große Durchstimmbarkeit für die Entwicklung neuer magneto-optischer Bauteile zu verwenden. Weiters sollen ferromagnetische Eu chalkogenide hergestellt werden und letztlich soll die Spin- Kohärenzzeit manipuliert werden. Um dies zu erreichen, werden Heterostrukturen und Nanostrukturen, wie Quantendrähte und Quantenpunkte aus diesen Materialien gewachsen und spektroskopisch untersucht. Im Rahmen des Projektes werden auch theoretische Modelle entwickelt um die außergewöhnlich großen magneto-optischen Effekte besser verstehen zu lernen.

Halbleiter zeichnen sich im Gegensatz zu Metallen dadurch aus, dass sie für einen Teil des Lichtspektrums transparent sind. Wie groß dieser Teil ist, wird durch die so genannte "Energielücke" des Halbleiter vorgegeben, die auch bestimmt in welcher Farbe der Halbleiter erscheint. Wird ein konventioneller Halbleiter einem Magnetfeld ausgesetzt, so verringert sich dessen Energielücke in etwa um ein Tausendstel % ihres Wertes. In diesem Projekt wurde nun ein Halbleiter gefunden, bei dem dieser Effekt ca. 10 000 mal größer ist, so dass sich die Energielücke um ca. 10% ihres Normalwertes verringert. Dieser riesige Effekt wird in diesem Material durch magnetische Phasenübergänge verursacht. Im Gegensatz zu Ferromagneten, bei denen sich alle magnetischen Momente die in diesem Material vorhanden sind addieren, kompensieren sie sich in Antiferromagneten, so dass diese Materialien nach außen hin völlig unmagnetisch erscheinen. Dieser Umstand macht auch den Nachweis von dünnen antiferromagnetischen Schichten besonders schwierig, vor allem wenn diese unter der Probenoberfläche vergraben sind. Mit einer speziellen Form der Röntgenspektroskopie ist es kürzlich gelungen, die magnetischen Momente von vergrabenen Schichten mit einer Dickenauflösung, die der Größe einzelner Atome entspricht, nachzuweisen. Von uns wurde dazu ein Simulations-Programm entwickelt, das die zu erwarteten Messergebnisse genau voraussagt und somit sogar erlaubt, die Rauhigkeit der vergrabenen Grenzflächen zwischen der vergrabenen antiferromagnetischen Schicht und dem unmagnetischen Matrixmaterial mit großer Genauigkeit zu bestimmen. Diese Methode, die hier für Europium-Tellurid Schichten demonstriert wurde, kann für eine Vielzahl anderer antiferromagnetischer Materialien herangezogen werden. Magnetische Effekte können üblicherweise nur bis zu maximalen Temperaturen, den kritischen Temperaturen, beobachtet werden, die ihrerseits von dem gewählten Materialsystem abhängen. Für eventuelle Anwendungen sollten diese möglichst weit oberhalb der Raumtemperatur liegen. Um solche Materialien zu gewinnen haben wir in diesem Projekt Nanopartikel aus Eisenoxiden chemisch synthetisiert. Diese Nanopartikel, die in Flüssigkeiten vorliegen und deshalb besonders einfach weiter prozessiert werden können, haben die Eigenschaft dass deren kritische Temperatur mit der Größe variiert werden kann. Darüber hinaus erlaubt unsere Synthese auch die Form der Nanopartikel bis zu einem gewissen Grad zu verändern und somit die magnetischen Eigenschaften unterhalb der kritischen Temperatur zu beeinflussen.