Erforschung magnetischer Nitride via Mikrowellen-Resonanzen

Ein Hauptziel der heutigen Forschung ist die Entwicklung von Werkzeugen für die Bottom-up-Assemblierung von Nanostrukturen mit vordefinierten Eigenschaften und Funktionalitäten. Ein Beispiel eines solchen Systems sind Halbleiterquantenpunkte, von denen erwartet wird, dass sie die Leistungsfähigkeit verschiedener kommerzieller Bauteile, wie Flash-Speicher, niederstromiger Halbleiterlaser und Einzelphotonenemitter revolutionieren. Galliumnitrid (GaN) und davon abgeleitete Verbindungen haben bereits ihr Potential in der Photonik und in der Hochleistungselektronik bewiesen und so den Status der - technologisch gesehen - höchst signifikanten Halbleitermaterialien neben Silizium (Si) eingenommen. Die Hinzunahme von Magnetismus eröffnet nun vielversprechende Aussichten für die Forschung und für Anwendungen, wie bereits durch zahlreiche Berichte über magnetische Effekte von den bisher am meist untersuchten (Ga,Mn)N-Verbindungen bewiesen wurde. Unsere aktuellen Arbeiten auf magnetisch dotierten Nitriden, welche ein umfassendes Wachstumsprogramm mit einer weitreichenden (Nano-)Charakterisierung kombinierten, haben es erlaubt, magnetische Signaturen von verdünnten Spins von denen zu unterscheiden, die durch selbst-assemblierte magnetische Nanokristalle hervorgerufen werden. Überdies wurde demonstriert, dass man unter geeigneten Wachstumsbedingungen und durch Co-Dotierung mit seichten Störstellen entweder ferromagnetische (FM) oder antiferromagnetische (AM) Wechselwirkung erreichen kann als auch Kontrolle über die Bildung von Fe-reichen Nanokristallen in (Ga,Fe)N, die sich entweder in einem FM oder einem AF Grundzustand befinden, erhält. Die Hauptzielsetzung dieses Projekts ist diesen Durchbruch in den Materialwissenschaften zu benutzen, um mittels Nieder- und Hochfrequenz Mikrowellen Techniken, unterstützt durch Magnetotransport und Synchrotron- Spektroskopie, folgende Punkte anzusprechen: [i] die Natur der Austauschwechselwirkung in verdünnten magnetischen Isolatoren, wie (Ga,Mn)N, abhängig vom Ladungs- und Spinzustand des Übergangsmetall-Ions; [ii] die Signatur der Perkolation und der Quanten-Kritizität am Ferrogmagnet/Spin-Glas Übergang; [iii] die Entwicklung der magnetischen und elektrischen Charakteristika, wenn selbst-organisierte Aggregation von magnetischen Ionen magnetische Nanokristalle über den Isolator/Metall Übergang treibt; [iv] die Möglichkeit der magnetischen Kühlung und/oder der Generierung von Strömen mittels Ferromagnet/Halbleiter Nanokomposit- Systemen. Wir erwarten, dass die hier vorgeschlagenen experimentellen und theoretischen Arbeiten, die wesentlich über den derzeitigen Wissenstand hinausgehen, einerseits Licht auf neue Mechanismen von Ferromagnetismus in magnetischen Halbleitern werfen werden und andererseits Methoden für selbst-organisiertes Wachstum und unvorhergesehene Funktionalitäten von Nanokomposit-Systemen, bestehend aus magnetischen Nanokristallen, ansprechen werden.

Eines der vordersten Ziele der heutigen Forschung ist die Entwicklung von Werkzeugen und Methoden für die Bottom-up-Assemblierung von niedrigdimensionalen Strukturen mit vordefinierten Eigenschaften und Funktionalitäten. Galliumnitrid (GaN) und dessen Verbindungen repräsentieren eine Familie von Materialien, die in den meisten kommerziell erhältlichen Leuchtdioden (LEDs) für die Beleuchtungstechnik eingesetzt werden. Sie haben aber auch bereits ihr Potential in Photonik und für Hochleistungselektronik gezeigt und damit neben Silizium (Si) einen festen Platz als höchst signifikante Halbleitermaterialien eingenommen. Die Zugabe von Magnetismus eröffnet nun umfassende Richtungen und Felder in Forschung und Anwendung, bestätigt durch die reiche Anzahl an magnetischen Effekten, die für das umfassend studierte Materialsystem (Ga,Mn)N gefunden wurden.Im Rahmen dieses Projekts wurde durch ein umfassendes Protokoll für epitaktisches Wachstum und für Mikrowellen-basierte Methoden, unterstützt durch Magnetotransport und Synchrotronspektroskopie, von uns folgendes erzielt und gezeigt: [i] Aufklärung der Natur der Austauschwechselwirkung in verdünnten magnetischen Halbleitern im Speziellen für (Ga,Mn)N abhängig vom Ladungs- und Spinzustand des Übergangsmetallions; [ii] tieferer Einblick in die magnetische Anisotropie von selbstassemblierten, eingebetteten magnetischen Nanokristallen mit einem magnetischen Ansprechverhalten, welches gezielt durch Anpassung der Wachstumsparameter, um Variationen in der Stöchiometrie zu erhalten, eingestellt werden kann; [iii] Beweis der Möglichkeit, die piezoelektrischen Eigenschaften auszunutzen, um die Richtung der Magnetisierung im Isolator (Ga,Mn)N zu verändern; [iv] Aufzeigen der Möglichkeit durch Spin-Pumping reine Spinströme in nicht-magnetischem, mit Si dotiertem GaN zu erzeugen, mit einer Spin-zu-Ladungs-Umwandlungseffizienz, die mindestens eine Größenordnung über der in anderen technologisch relevanten Halbleitern liegt.Wir sind überzeugt, dass unsere Ergebnisse eine breites Feld für Nitrid-basierte Heterostrukturen als Baublöcke für die nächste Generation von nicht-flüchtigen, energiesparenden und grünen elektronischen Spintronik- und Spinorbitronik-Bauteilen eröffnen, wobei einerseits der Spin des Elektrons als auch die Spin-Bahn Kopplung in nicht-magnetischen Materialien ausgenutzt werden, um Spinströme zu generieren, zu manipulieren und zu detektieren.