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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