Magneto-Optik bei Raumtemperatur

  • 11. December 2012

Duisburger Forscher wollen elektrische, optische und magnetische Funktionalität in Halbleitern vereinen.

Heutzutage basiert die dauerhafte Datenspeicherung auf den magnetischen Eigenschaften von Metallen. Die ultraschnelle Informationsverarbeitung im Chip hingegen verwendet eine andere Materialklasse, die Halbleiter. Silizium ist deren prominentestes Beispiel. Gelänge es, Halbleitern eine magnetische Funktionalität aufzuprägen, wären Bauelemente möglich, die Informationen speichern und verarbeiten und dabei weniger Energie verbrauchen als heutige Komponenten. Der kommerzielle Einsatz solcher „Wundermaterialien“ ist allerdings noch Zukunftsmusik.

Abb.: Rasterkraftmikroskopische Aufnahme der untersuchten Nanobänder. (Bild: UDE)

Abb.: Rasterkraftmikroskopische Aufnahme der untersuchten Nanobänder. (Bild: UDE)

In einer Kooperation der Arbeitsgruppe um Gerd Bacher vom Center for Nanointegration Duisburg-Essen (CENIDE) und der Arbeitsgruppe um Taeghwan Hyeon von der Universität Seoul in Südkorea gelang allerdings ein Fortschritt in diesem zukunftsträchtigen Forschungsfeld.

Das Team um die gebürtige Brasilianerin Rachel Fainblat, Doktorandin bei Gerd Bacher, hat für seine Untersuchungen chemisch hergestellte Streifen aus Selen und Cadmium verwendet – Bänder, die nur wenige Nanometer breit und einige Mikrometer lang sind und denen winzige Mengen von Mangan beigemischt sind. Die elektronischen und optischen Eigenschaften werden durch den Halbleiter Cadmiumselenid bestimmt, die magnetischen Eigenschaften durch die Manganatome im Kristall. Entscheidend für die Anwendungen ist nun, wie diese Eigenschaften miteinander verknüpft sind. Diese Kopplung wird durch zwei Konstanten beschrieben, deren Abhängigkeit von der Größe der Nanostrukturen in der Literatur heftig umstritten ist.

Fainblats Ziel war es nun, diese Kopplungsstärke zu bestimmen und das Potenzial der ungewöhnlichen Nanostrukturen für Anwendungen bei Raumtemperatur zu erforschen. Dazu hat die 29-Jährige optische Messmethoden eingesetzt und mit verschieden starken Magnetfeldern und unterschiedlichen Anregungswellenlängen experimentiert. Aus den Messergebnissen konnte sie auf die Stärke der Kopplung zwischen Ladungsträgern und magnetischen Dotieratomen in den Nanobändern zurückschließen. „Weil wir die Übergänge aus zwei verschiedenen Energiebändern (...) bestimmt haben, konnten wir als erste beide Kopplungskonstanten unabhängig bestimmen und zeigen, dass eine der beiden Konstanten in der Tat in Nanostrukturen stark verändert ist“, berichtet Fainblat.

Zusätzlich konnte sie nachweisen, dass die Nanobänder auch bei Raumtemperatur magneto-optische Funktionalität zeigen – das ist für Anwendungen extrem wichtig. Vorherige Untersuchungen bezogen sich immer auf extrem tiefe Temperaturen. „Aber eine Platine, die erst in flüssigem Stickstoff gekühlt werden muss, damit sie funktioniert, ist für die Routineanwendung schlicht untauglich.“ Was die untersuchten Nanobänder zusätzlich attraktiv für industrielle Verwendungen macht, ist ihre einfache und flexible Prozessierbarkeit – auch auf flexiblen Substraten wie z. B. Folien.

Wie wichtig ihre Arbeit für künftige magneto-optische Technologien ist, zeigt die Tatsache, dass Fainblat für ihre Veröffentlichung auf der größten Konferenz im Bereich der Halbleiterphysik (International Conference on the Physics of Semiconductors) mit dem Preis „Young Scientist Best Paper Award“ ausgezeichnet wurde.

UDE / PH

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