Magnetische Nanostrukturen

Institut für Experimentalphysik

Arbeitsgruppe Magnetometrie & Photonik

Seminar „Nanostrukturierte Festkörper“ 8. Jänner 2003 Institut für Materialphysik/Univ. Wien

Heinz KRENN

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 inHard-Disk-Drives von 1984 - 2000

x 2,5von 1984 - 1990

x 170von 1990 - 2000

Die Verkleinerung magnetischer Strukturen zur nichtflüchtigen Datenspeicherung

N N S S NS

Skala Skala

Anisotropie > Entmagnetisierung Nichtflüchtigkeit

Ku

Skalieren mit dem Volumen !

Superparamagnetischer Limit: M

Thermische Fluktuation

NSHd

N

Single-Domain Particle

Kristall-Anisotropie

H

H

M

H

H

H

H

H

H

Superparamagnetic Particle

HKristall-Anisotropie

H

M

20 nm

Thermische Energie H

Traditionelle Hard-Disk

20 Giga-Bytes

Neuartige 3-Schicht-Disk(mit antiferromagnetischerKopplung)

400 Giga-Bytes(Inhalt von 400,000 Büchern)Movies - Digitales Video

2000 2003

Lesekopf

60 nm300 nm

Indirekte Austauschwechselwirkung über das freie Elektronengas

kx

ky

kF

Fermikugel

r

H(r) q=2/

Periodische Störung

H(r)=Hq cosq·r

Ungestörte Wellenfunktionen: Blochwellen

rkk r ie

V

1)(

Störoperator für Störungsrechnung 1. Ordnung:

rqHq cos20 Bg

H

Gestörte Wellenfunktion:

kqk

rqk

kqk

rqkrk

k rEE

e

EE

eHge

V

iiqBi

)()(0

4

1)(

wobei als ungestörte Energie die kinetische Energie emk

kE 2

22 eingesetzt wird.

Magnetisierung des Elektronengases:

F

B

k

g dgMk

kkq rrkk223

2 )()()(0 rq cosq qH

Zustandsdichte

q=2kF

Pauli

0

q

q

Für beliebige Magnetfeldstörung: )r(H)()( 3 rrrM rd

Punktförmige magnetische Störung (magnetisches Ion)

HrrH )()(

rqqqHrrM ied

3

3)2(

1)()(

4

3

)2(

)2sin(2cos22)(

rk

rkrkrkkr

F

FFFPauliF

RKKY-Suszeptibilität:

Fk2/Fk2/2

Fk2/3

r

(r)

Ruderman-Kittel-Kasuya-Yoshida-Wechselwirkung

Cu

Cu

0,6 nm 0,7 nm

RKKY-Austauschgekoppelte Fe/Cr/Fe-Schichten

Fe

Cr

Fe

30 Å

30 Å

H [kG]

R(H)/R0

Abnehmende Cr-Schichtdicke

18 Å

12 Å

9 Å

Magneto-Widerstand

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%

M(H)

Strom

M(0)aturRaumtemper

R

RHR

R

R

0

0)(

Zustandsdichte ferromagnetischer Übergangsmetalle (Co)

s

s

dd

EF

Majoritäts-Spins

Minoritäts-Spins

s-Elektronen

tragen zur Leitfähigkeit bei

d-Elektronen

tragen zur spin-abhängigen Streuung bei

Giant-Magnetoresistance-Effekte

Parallele Magnetisierung

Schicht 1Barriere

Schicht 2

Großer Majoritäts- trägerstrom

Antiparallele Magnetisierung

Kleiner Minoritäts- trägerstrom

Magnetisierung

Magnetowiderstand

Spin-Valves(Spin-Filter ohne Austauschkopplung)

Co (100 Å)

Au (60 Å)

Co (200 Å)H

M

R(H)/R0

Hc1< H < Hc2 H > Hsat

Spin

Spin

Spin

Spin

De Broglie-= 0,5 nm

Freie Weglänge:5-10 nm

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

Magnetisierung

M

HKoppelfeld

Exchange Bias Feld

Magnetowiderstand

H

R(H)/R0

Magnetoresistiver Lesekopf

H

Ladungs- und Spin-Transport

Ladungstransport:

Ladungs- und Spin-Transport:

Axiales Magnetfeld

Transversales Magnetfeld

Die Problematik, den Elektronspin zu steuern ….

Permalloy (Ni0,8Fe0,2)

Strom in x-Richtung

Strom in y-Richtung

Vgate2D-Inversionskanal

Fe

E = -dV/dz

zSpin-Bahn-Effektfür die 1dim Bewegung

HRashba [ x v]·(-dV/dz)

v

Zirkular-polarisiertes Licht

Direkter Zugriffdurch ein Magnetfeld:

1 Durch elektrisches Feld(Spin-Bahn-Kopplung)

2

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-xMnxAsPb1-xEuxTe, Cd1-xMnxTe

3 Granulare Magnete in Halbleitern: Superparamagnetische MnAs, GaMn-Ausscheidungenin GaAs, GaN

Vergleich Cu:Mn mitGa0.95Mn0.05As p = 31020 cm-3

Curie-Temperatur ferromagnetischer Halbleiter

Nach T. Dietl et al., Science 287, 1019 (2000)

5% Mn-SubstitutionHypothetische p-Kon-zentration:p = 31020 cm-3

Feldinduzierter Ferromagnetismus

B

Isolator0,8 µm

InMnAs5 nm(Al,Ga)Sb

AlSb

GaAs

Vg

Hal

l-Wid

erst

and

()

B (mT)

Lichtinduzierter Ferromagnetismus

(In,Mn)As

B

GaSb

GaAs

120 Å

5000 Å

h

beleuchtet

unbeleuchtet

Ha

ll-W

ide

rsta

nd

(m

)

B(T)

5 K

EF

Eg

h

HLFM FM

RR2 R2

R1 R1R

HLFM FM

Parallele Magnetisierung

HLFM FMR1 R2

R

RR2 R2

RR2 R2

HLFM FM

Antiparallele Magnetisierung

Bidirektionales Spin-Filter

Antiparallele Magnetisierung

SpinpolarisationIm Metall:

P0 = R2 – R1

R2 + R1

Spin-Filterwirkung:

F =j -jj +j

=P0

2

RHL2 [1 +

RFM

(1 - P02)] - 1

F

RHL = R/2

RFM = R1//R2

Magnetisierung in den (111)-Ebenen

Heisenberg Antiferromagnet

EuTeEu-Ionen 7/2S

Te-Ionen

Mean-Field Modellrechung von Wenig-Monolagen EuTe

EuTe

EuTePbTe

[111]2 Monolagen

2 Monolagen

EuTe

PbTe

EuTe

3 Monolagen

3 Monolagen

ferro

Spin-flopferri

Spin-flop ferro

H

FWF-Projekt P 15397 „Nanomagnete in Halbleitern“

Magnetisierung von EuTe/PbTe-Übergittern

als Funktion von T [Kelvin] als Funktion von H [Gauss]

Spin-Flop-Phaseerwartet

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

H

Raster-Tunnel-Mikroskop-Aufnahme einer EuTe/PbTe Doppelstruktur

MonolagenWachstumsspiralelängs einer Schraubenversetzung

20 Monolagen EuTeauf PbTe-Buffer

1 µm

100 nm

> 1 µm

magnetometrische Messungdes Blockier-Effekts&

Monte Carlo Simulation von Monolageninseln auf einer Wachstumsspirale

Kooperationen und Förderungen

Halbleiterproben:

Eisenbeschichtete Si-Wafer:

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .Angaris GmbHD-06120 Halle

Ferromagnetische Resonanz: Institut für Experimentalphysik III Universität Bochum, Prof. Pelzl

(P 15397 „Nanomagnete in Halbleitern“)

GKSSGeesthacht Research Center,Prof. Clemens

Neutronenbeugung:

Danksagung

Dissertanten: F. SchinaglS. HollK. BierleutgebP. Granitzer