Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wie Halbleiter magnetisch werden

15.10.2012
Materialien, die bei Raumtemperatur sowohl halbleitende als auch magnetische Eigenschaften besitzen, sind ein lange gehegter Wunsch von Physikern.

Sie könnten schnelleres und energiesparendes Rechnen ermöglichen und so die Elektro- und Informationstechnologie revolutionieren. Ein internationales Forscherteam unter Beteiligung von Physikern des Forschungszentrums Jülich ist diesem Ziel einen Schritt näher gekommen.


Die Abbildung zeigt schematisch den Ablauf des Experiments: Photonen (grüner Pfeil) treffen auf die Probe, wodurch Elektronen freigesetzt werden (roter Pfeil). Ihre Energie und der Winkel, unter dem sie die Probe verlassen, werden gemessen. Ein Messergebnis ist rechts unten abgebildet.
Quelle: Forschungszentrum Jülich

Mit Hilfe einer kürzlich entwickelten Methode beantworten sie die kontrovers diskutierte Frage, wie der Magnetismus in einem der wichtigsten magnetischen Halbleiter bei tiefen Temperaturen entsteht. Die Ergebnisse sind in der aktuellen Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift „Nature Materials“ nachzulesen (DOI: 10.1038/NMAT3450).

Halbleiter bilden die Basis unserer Informationstechnologie. Sie verarbeiten die Information in Form von elektrischer Ladung, den Elektronen. Doch Elektronen besitzen neben der Ladung eine weitere nutzbare Eigenschaft, den Spin. Diese Rotation des Elektrons in die eine oder die andere Richtung um sich selbst erzeugt ein magnetisches Moment, das weitere Informationen tragen kann. Es wird bereits zur magnetischen Speicherung von Daten genutzt.

Spins könnten zukünftig auch dazu genutzt werden, die Information zu transportieren. Dazu wäre weniger Energie notwendig als zum Transport von Ladungen. Materialien, die magnetische mit Halbleiter-Eigenschaften vereinen, können Spins verlustarm transportieren und hätten für Anwendungen den großen Vorteil, dass sie leicht in die vorhandene Halbleitertechnologie integrierbar wären. Doch Halbleiter sind normalerweise nicht magnetisch. Versuche, sie dauerhaft magnetisch zu machen, gelingen überwiegend bei extrem tiefen Temperaturen, die sich für technische Anwendungen nicht eignen.

Eines der wichtigsten magnetischen Halbleitermaterialien ist Galliummanganarsenid (GaMnAs), das durch Dotierung des Halbleiters Galliumarsenid (GaAs) mit Mangan erzeugt wird. Es ist bei Temperaturen unter 100 Grad Kelvin magnetisch, wie schon seit 1996 bekannt ist. Umstritten war bisher, wie dieser Magnetismus entsteht.

Wissenschaftlern aus Deutschland, den USA, Japan und Italien gelang es nun, die Energie der Elektronen zu bestimmen, die die magnetische Eigenschaft in Galliummanganarsenid ausmachen. Dafür untersuchten sie Proben von Galliumarsenid und Galliummanganarsenid mittels winkelaufgelöster Photoemissionsspektroskopie an der stärksten Synchrotronanlage der Welt, „SPring-8“ in Japan.

Dabei werden Proben mit Photonen beschossen, wodurch Elektronen die Probe verlassen. Ihre Energie und der Winkel, unter dem sie die Probe verlassen, werden gemessen und geben Auskunft über die Energie und die Verteilung der Elektronen in der Probe. Durch den Vergleich der Messkurven fanden die Forscher ein kleines zusätzliches Signal im Galliummanganarsenid und identifizierten damit die sogenannten Valenzelektronen des Mangan, die den Magnetismus ausmachen.

„Galliummanganarsenid enthält nur eine kleine Menge Mangan und die Unterschiede zwischen den Messkurven sind deshalb nur sehr klein. Die sehr energiereichen Photonen von SPring-8 dringen aber tiefer in die Probe als energieärmere Photonen und ermöglichen den zuverlässigen Nachweis auch kleiner Unterschiede zwischen Materialien, wie in diesem Fall“, erklärt Dr. Lukasz Plucinski vom Jülicher Peter Grünberg Institut. Bei oberflächennahen Messungen mit energiearmen Photonen fallen solche geringen Unterschiede nicht auf oder Ergebnisse sind nicht signifikant, weil schon kleinste Verunreinigungen oder Unebenheiten der Oberflächen Messabweichungen verursachen können.

Die hohen Energien der Photonen, die an großen Synchrotronanlagen erzeugt werden, ermöglichen Forschern erst seit kurzem, Materialproben tief im Inneren zu untersuchen; dies hatten die Forscher aus Jülich und Berkeley bereits 2011 gezeigt. Vorher beschränkten sich die Messungen auf wenige Atomlagen an der Oberfläche.

„Die Übereinstimmung der Messergebnisse mit den theoretischen Berechnungen ist sehr gut und hat auch die Gutachter überzeugt“, freut sich Prof. Claus M. Schneider, Direktor am Peter Grünberg Institut. „Wir haben damit eine Methode an der Hand, die uns bei der gezielten Suche nach Halbleitern, die bei Raumtemperatur magnetisch sind, helfen kann.“

Originalveröffentlichung:
Bulk electronic structure of the dilute magnetic
semiconductor Ga1-xMnxAs through hard X-ray angle-resolved
photoemission; A. X. Gray at al.; Nature Materials (2012), DOI: 10.1038/NMAT3450

Bildmaterial können Sie am Montag, 15. Oktober, von 12 Uhr an auf der Homepage des Forschungszentrums herunterladen (http://www.fz-juelich.de)

Weitere Informationen:
Forschungszentrum Jülich: www.fz-juelich.de
Pressemitteilung vom 18.8.2011 „Blick in bisher ungeahnte Tiefen“: http://www.fz-juelich.de/SharedDocs/Pressemitteilungen/UK/DE/2011/11-08-18photoemissionsspektroskopie.html
Peter Grünberg Institut – Elektronische Eigenschaften (PGI-6): www.fz-juelich.de/pgi/pgi-6/

Ansprechpartner:
Dr. Lukasz Plucinski, Forschungszentrum Jülich, Elektronische Eigenschaften (PGI-6), Tel. 02461 61-6684, E-Mail: l.plucinski@fz-juelich.de

Pressekontakt:
Angela Wenzik, Wissenschaftsjournalistin, Forschungszentrum Jülich,
Tel. 02461 61-6048, E-Mail: a.wenzik@fz-juelich.de

Erhard Zeiss | Forschungszentrum Jülich
Weitere Informationen:
http://www.fz-juelich.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Waschen für die Mikrowelt – Potsdamer Physiker entwickeln lichtempfindliche Seife
02.12.2016 | Universität Potsdam

nachricht Quantenreibung: Jenseits der Näherung des lokalen Gleichgewichts
01.12.2016 | Forschungsverbund Berlin e.V.

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Greifswalder Forscher dringen mit superauflösendem Mikroskop in zellulären Mikrokosmos ein

Das Institut für Anatomie und Zellbiologie weiht am Montag, 05.12.2016, mit einem wissenschaftlichen Symposium das erste Superresolution-Mikroskop in Greifswald ein. Das Forschungsmikroskop wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem Land Mecklenburg-Vorpommern finanziert. Nun können die Greifswalder Wissenschaftler Strukturen bis zu einer Größe von einigen Millionstel Millimetern mittels Laserlicht sichtbar machen.

Weit über hundert Jahre lang galt die von Ernst Abbe 1873 publizierte Theorie zur Auflösungsgrenze von Lichtmikroskopen als ein in Stein gemeißeltes Gesetz....

Im Focus: Durchbruch in der Diabetesforschung: Pankreaszellen produzieren Insulin durch Malariamedikament

Artemisinine, eine zugelassene Wirkstoffgruppe gegen Malaria, wandelt Glukagon-produzierende Alpha-Zellen der Bauchspeicheldrüse (Pankreas) in insulinproduzierende Zellen um – genau die Zellen, die bei Typ-1-Diabetes geschädigt sind. Das haben Forscher des CeMM Forschungszentrum für Molekulare Medizin der Österreichischen Akademie der Wissenschaften im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit mit modernsten Einzelzell-Analysen herausgefunden. Ihre bahnbrechenden Ergebnisse werden in Cell publiziert und liefern eine vielversprechende Grundlage für neue Therapien gegen Typ-1 Diabetes.

Seit einigen Jahren hatten sich Forscher an diesem Kunstgriff versucht, der eine simple und elegante Heilung des Typ-1 Diabetes versprach: Die vom eigenen...

Im Focus: Makromoleküle: Mit Licht zu Präzisionspolymeren

Chemikern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es gelungen, den Aufbau von Präzisionspolymeren durch lichtgetriebene chemische Reaktionen gezielt zu steuern. Das Verfahren ermöglicht die genaue, geplante Platzierung der Kettengliedern, den Monomeren, entlang von Polymerketten einheitlicher Länge. Die präzise aufgebauten Makromoleküle bilden festgelegte Eigenschaften aus und eignen sich möglicherweise als Informationsspeicher oder synthetische Biomoleküle. Über die neuartige Synthesereaktion berichten die Wissenschaftler nun in der Open Access Publikation Nature Communications. (DOI: 10.1038/NCOMMS13672)

Chemische Reaktionen lassen sich durch Einwirken von Licht bei Zimmertemperatur auslösen. Die Forscher am KIT nutzen diesen Effekt, um unter Licht die...

Im Focus: Neuer Sensor: Was im Inneren von Schneelawinen vor sich geht

Ein neuer Radarsensor erlaubt Einblicke in die inneren Vorgänge von Schneelawinen. Entwickelt haben ihn Ingenieure der Ruhr-Universität Bochum (RUB) um Dr. Christoph Baer und Timo Jaeschke gemeinsam mit Kollegen aus Innsbruck und Davos. Das Messsystem ist bereits an einem Testhang im Wallis installiert, wo das Schweizer Institut für Schnee- und Lawinenforschung im Winter 2016/17 Messungen damit durchführen möchte.

Die erhobenen Daten sollen in Simulationen einfließen, die das komplexe Geschehen im Inneren von Lawinen detailliert nachbilden. „Was genau passiert, wenn sich...

Im Focus: Neuer Rekord an BESSY II: 10 Millionen Ionen erstmals bis auf 7,4 Kelvin gekühlt

Magnetische Grundzustände von Nickel2-Ionen spektroskopisch ermittelt

Ein internationales Team aus Deutschland, Schweden und Japan hat einen neuen Temperaturrekord für sogenannte Quadrupol-Ionenfallen erreicht, in denen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Von „Coopetition“ bis „Digitale Union“ – Die Fertigungsindustrien im digitalen Wandel

02.12.2016 | Veranstaltungen

Experten diskutieren Perspektiven schrumpfender Regionen

01.12.2016 | Veranstaltungen

Die Perspektiven der Genom-Editierung in der Landwirtschaft

01.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Parkinson-Krankheit und Dystonien: DFG-Forschergruppe eingerichtet

02.12.2016 | Förderungen Preise

Smart Data Transformation – Surfing the Big Wave

02.12.2016 | Studien Analysen

Nach der Befruchtung übernimmt die Eizelle die Führungsrolle

02.12.2016 | Biowissenschaften Chemie