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Kohlenstoff bringt Magnetismus in die Elektronik

20.08.2008
Forscher in Japan stellten vor einigen Jahren in einem Experiment zufällig eine Verbindung aus Silizium, Mangan und Kohlenstoff her, die unerwarteterweise auch bei Raumtemperatur ferromagnetisch war.

Da Silizium das wichtigste Material für die Herstellung von Handy- oder Computerchips ist, rufen neue magnetische Eigenschaften von Silizium-Verbindungen immer ein großes Echo hervor.

Forschern aus Karlsruhe und Dresden gelang nun die Herstellung von magnetischen "Nano-Drähten" aus diesem Material. Hierzu implantierten sie Kohlenstoff-Ionen bei erhöhter Temperatur in Mangansilicid. Das Ergebnis wurde vor kurzem in der Fachzeitschrift "Applied Physics Letters" veröffentlicht.

Dr. Christoph Sürgers von der Universität Karlsruhe und Dr. Kay Potzger vom Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD) beschäftigen sich mit der Wechselwirkung magnetischer und elektronischer Eigenschaften von Materialien.

Jedes Elektron ist quasi ein winzig kleiner Magnet, denn es verfügt über eine Eigenrotation, den Spin. Da der Spin mindestens zwei verschiedene Einstellmöglichkeiten hat, bietet sich seine Nutzung als Informationsträger (ein/aus bzw. 0/1) an. Bereits in den 1980er-Jahren entdeckten die Physik-Nobelpreisträger des Jahres 2007, Grünberg und Fert, den Riesenmagnetowiderstand ("Giant Magnetoresistance - GMR"), der Festplatten mit einem Speichervermögen von vielen Giga-Byte ermöglicht.

Damit begründeten sie die zukunftsträchtige Spinelektronik oder auch Spintronik. Die Reduzierung der Größe der Leiterbahnen bis in den Nanometerbereich (1 Nanometer = 1 Millionstel Millimeter) könnte jedoch auch völlig neuartige Effekte erzeugen, ja sogar zu stabileren Schaltkreisen führen.

Diese Herangehensweisen wurden nun im Ionenstrahlzentrum des FZD auf der Grundlage von Materialien aus Karlsruhe erfolgreich kombiniert. Dr. Kay Potzger implantierte Kohlenstoff-Ionen in eine dünne Schicht aus Mangansilicid (Mn5Si3). Um den neuen Materialverbund besser untersuchen zu können, entschloss er sich, die Kohlenstoff-Ionen erstmals mit Hilfe einer Lochmaske in kleine quadratische Flächen zu implantieren.

Bei den während der Implantation verwendeten Substrat-Temperaturen von ca. 450 °C wandert der Kohlenstoff jedoch vom Zentrum der Quadrate an die Ränder und bildet dort regelmäßige ferromagnetische Nano-Drähte aus Mangan, Silizium und Kohlenstoff. In den Nano-Drähten liegen die durch die Elektronen erzeugten magnetischen Momente parallel zueinander ausgerichtet vor. Dieser Zustand ist ideal geeignet für weitere Arbeiten, die sich dem Transport von Elektronen in Nano-Drähten widmen werden. Die Forscher wollen gezielt Defekte in dünnen Materialschichten erzeugen, die als "Falle" für den implantierten Kohlenstoff dienen sollen.

Veröffentlichung:
C. Sürgers, N. Joshi, K. Potzger, T. Strache, W. Möller, G. Fischer, H. v. Löhneysen, "Magnetic order by C-ion implantation into Mn5Si3 and Mn5Ge3 and its lateral modification", in: Applied Physics Letters, Vol. 93, Issue 6, 062503 (2008), DOI: 10.1063/1.2969403 http://link.aip.org/link/?APL/93/062503.
Weitere Informationen:
Dr. Kay Potzger
Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung
Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD)
Tel.: 0351 260 - 2423 bzw. 0172 384 4402
Email: k.potzger@fzd.de
Dr. Christoph Sürgers
Physikalisches Institut / Zentrum für funktionale Nanostrukturen
Universität Karlsruhe
Tel.: 0721 608 - 3456
Email: christoph.suergers@pi.uka.de
Information:
Das Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD) hat das Ziel, strategisch und langfristig ausgerichtete Spitzenforschung in politisch und gesellschaftlich relevanten Forschungsthemen wie Energie, Gesundheit und Schlüsseltechnologien zu leisten. Folgende Fragestellungen stehen dabei im Mittelpunkt:

- Wie verhält sich Materie unter dem Einfluss hoher Felder und in winzigen Dimensionen?

- Wie können Tumorerkrankungen frühzeitig erkannt und wirksam behandelt werden?

- Wie schützt man Mensch und Umwelt vor technischen Risiken?

Diese Fragestellungen werden in strategischen Kooperationen mit Forschungs- und Industriepartnern bearbeitet. Ein weiterer Schwerpunkt ist der Betrieb von sechs einmaligen Großgeräten, die auch externen Nutzern zur Verfügung stehen.

Das FZD wird von Bund und Land gefördert und beschäftigt mehr als 700 Personen. Bei der Auswahl neuer Mitarbeiter stehen Qualität und Internationalität an erster Stelle. Die Ausbildung von wissenschaftlichem und technischem Nachwuchs erfolgt auf hohem Niveau und in enger Zusammenarbeit mit den Hochschulen. Auf die Vereinbarkeit von Familie und Beruf achtet das FZD in besonderem Maße.

Dr. Christine Bohnet | idw
Weitere Informationen:
http://www.fzd.de

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