Bestimmung des ferromagnetischen Phasendiagrams in Nitriden

In den letzten Jahren wurden wesentliche Fortschritte erzielt, um neue Funktionalitäten ferromagnetischer Halbleiter als auch kombinierter Halbleiter- und ferromagnetischer Metallstrukturen zu demonstrieren. Die zu erwartenden Anwendungen für diese Systeme benötigen jedoch neue Materialien mit ferromagnetischer Ordnung bei oder über Raumtemperatur. Intensiven Forschungsaktivitäten in diese Richtung ist es zu verdanken, dass bisher Ferromagnetismus in einer Anzahl von Nitriden und Oxiden, dotiert mit Übergangsmetallen oder seltenen Erden, oder sogar in Materialien, welche nicht mit magnetischen Ionen dotiert wurden, nachgewiesen werden konnte. Diese experimentellen Resultate konnten in einigen Fällen theoretisch mittels ab-initio Kalkulationen vorhergesagt und simuliert werden, bei denen sich auch gezeigt hatte, dass der Grundzustand in einer Anzahl von verdünnten magnetischen Halbleitern ferromagnetischer Natur ist. Es zeigt sich jedoch auch immer deutlicher, dass diese Übereinstimmung zwischen Experiment und Theorie eher als zufällig angesehen werden muss und der eigentliche Ursprung von Ferromagnetismus bei hohen Temperaturen in Halbleitern noch nicht verstanden worden ist. Diese unbefriedigende Situation ist unter anderem dafür verantwortlich, dass bisher kein funktionierendes Bauelement basierend auf ferromagnetischen Halbleitern bei Raumtemperatur vorgestellt wurde. Es wird jedoch immer offensichtlicher, dass die Physik in diesen Systemen überaus herausfordernd ist, da sie Aspekte von stark korrelierten Systemen, ungeordneten Halbleitern und fehlangepassten Verbindungen vereint. Das Hauptziel des vorliegenden Projekts ist nun, unter Beiziehung der jüngsten Erkenntnisse in diesem Gebiet, das Auftreten von Löcher induziertem Ferromagnetismus in magnetisch verdünnten Nitriden zu demonstrieren und das entsprechende Phasendiagramm der Curietemperatur TC(x,p) als Funktion des Gehalts der Übergangsmetalle und der erzielten Löcherkonzentration in diesen Materialien zu erstellen. Im speziellen soll durch neuartiges Design der Bauelemente und durch die Verwendung von nanoanalytischen Charakterisierungsmethoden die Grundlage geschaffen werden, die Eigenschaften von Mn- und Mg-dotierten Heterostrukturen und Übergittern gezielt zu beeinflussen. Es wird erwartet, dass in diesen Strukturen Modulationsdotierung und elektrostatische Polarisation an Grenzflächen über parasitäre Effekte, wie die Aggregation magnetischer Ionen und die Lokalisation von Löchern durch starke p-d Wechselwirkung, welche auch als Ursprung des bisherigen Versagens bestehender Konzepte betrachtet werden, dominieren. Wir erwarten, dass die hier vorgeschlagene umfassende Vorgehensweise mit neuartigen experimentellen Ansätzen und Unterstützung durch theoretische Arbeiten essentielle Anstöße für eines der kontroversesten Themen im Gebiet des Magnetismus und der Spintronic gibt: der Ursprung von Ferromagnetismus bei hohen Temperaturen in Übergangsmetall-dotierten (magnetisch verdünnten) Halbleitern und Oxiden.

Speziell durch die Rolle, die Galliumnitrid (GaN) als Basismaterial für kommerzielle Leuchtdioden einnimmt, hat sich dieses Halbleitermaterial zu einem der technologisch bedeutendsten entwickelt. Weiters wird erwartet, dass in Kombination mit magnetischen Elementen eine Vielzahl von neuen Perspektiven für die nächste Generation von Spin-elektronischen Bauelementen für Informationsspeicherung und Transfer eröffnet wird. Im Rahmen dieses Projekts haben wir daher demonstriert, dass es durch die Kombination von GaN mit magnetischen Elementen möglich ist, dieses Materialsystem maßzuschneidern, um entweder homogene magnetische Halbleiter oder auch hybride magnetische/halbleitende Strukturen zu erhalten. In letzteren ermöglichen geordnete Bereiche von funktionalen magnetischen Nanostrukturen neue Anwendungsbereiche für Bauelemente für den Transfer von Information durch magnetische Spins. Zusätzlich haben wir gezeigt, dass sich mit der Bildung von magnetischen Komplexen in Nitriden ein Material herstellen lässt, für welches man den magnetischen Zustand einstellen und mit welchem man gleichzeitig die photonischen Eigenschaften von GaN - vom derzeit sichtbaren/ultravioletten Bereich in den infraroten Wellenlängenbereich des Telekommunikationsfensters erweitern kann.