Fachgruppe Nanostrukturierte Materialien    

Erforschung neuartiger Magnetsensoren auf Basis spintronischer Effekte.
Motivation:
Die forschungsintensive Mikroelektronik und ihre Anwendungen sind branchenübergreifend Treiber für Fortschritt, Wettbewerb und Innovation. Um die Pipeline neuer Mikroelektronik gefüllt zu halten, soll neues Wissen in den Natur- und Ingenieurswissenschaften für künftige Mikroelektronik erschlossen werden. Im Mittelpunkt der Förderung von Hochschulen und außeruniversitären Forschungseinrichtungen stehen Themen, die zwar noch nicht industriell erforscht werden, für die aber ein nachgewiesenes Interesse aus der Industrie vorliegt. Die Brücke zwischen Grundlagenforschung und industriegeführter Forschung in der Mikroelektronik wird somit ausgebaut.
Ziele und Vorgehen

Im Projekt spinGMI soll ein neuartiges Verfahren zum Anregen und Auslesen hochsensitiver Magnetsensoren erforscht werden. Dadurch sollen vor allem die Sensorabmessungen reduziert werden. Dieses neue Verfahren ermöglicht es, die bisher zur Anregung notwendige Wechselspannung statt mit einer separaten Elektronik durch einen hochintegrierten, spintronischen Oszillator direkt auf dem Sensorchip zu erzeugen. Ein äußeres Mag-netfeld führt im Sensor zu einer Widerstandsänderung, die durch ein weiteres spintronisches Elektronikbauteil als Gleichspannungssignal detektiert werden kann. Alle spintronischen Elekt-ronikbauteile sollen in einen Chip integriert wer-den, der mithilfe der assoziierten Industriepartner anwendungsnah getestet wird.
Innovationen und Perspektiven

Im Erfolgsfall ist zu erwarten, dass die neuartigen Verfahren einerseits die aktuellen Standardttechnologien in der Empfindlichkeit deutlich übertreffen und sie gleichzeitig den verfügbaren, aber teuren hochsensitiven Sensortechnologien bei Stromverbrauch, Kosten und Größe signifikant überlegen sind. Mit den neuartigen Elektroniksystemen lassen sich kleinste magnetische Felder detektieren. Damit können sie etwa durch die relative Orientierung zum Erdmagnetfeld als räumlichlokales Referenzsystem genutzt werden.

Our vision in this project is to establish a fundamental understanding of ultrafast spin dynamics and to lay the foundations for spin-based information technology which can be operated at THz clock rates.

In diesem Projekt soll die durch den Spin-Nernst-Effekt hervorgerufen Spin-Akkumulation untersucht und quantifiziert werden. In den Experimenten sollen zwei komplementäre Ansätze verfolgt werden:eine ultraempfindliche und eine ultraschnelle Methode.
Bei der einen Experimenten soll die Mikro-SQUID Technologie dazu verwendet werden, die absoluten magnetischen Momente, die mit der durch den Spin-Nernst hervorgerufenen Spin-Akkumulation am Probenrand verknüpft sind, zu messen. Die Probe hat die Form eines Streifens und wird einem Temperaturgradienten ausgesetzt, der entweder durch resistives oder durch optisches Heizen erzeugt werden soll. Mit der ultraempfindlichen Mikro-SQUID-Technik (Empfindlichkeit einige hundert Elektronspins) soll der Spin-Nernst-Effekt quantifiziert werden. Dabei soll es durch Verwendung von geeigneten SQUID-Geometrien möglich werden, auch die Spin-Diffusionslänge zu bestimmen. Eng verknüpft mit theoretischen Untersuchungen wird die Technik auch auf verschiedene Metalle (Cu, Au) einschließlich möglicher Dotierung mit Verunreinigungsatomen angewandt, um zum einen den Spin-Nernst-Effekt zu maximieren und zum anderen intrinsische und extrinsische Beiträge separieren zu können.
In dazu komplementären Experimenten sollen große thermische Gradienten mit einer ultraschnellen Anrege-Abfrage-Technik generiert werden um die Dynamik des Spin-Nernst-Effekts zu untersuchen. Dabei sollen Bow-Tie artige Antennen mit einer Resonanzfrequenz um 1 THz mittels hochintensiver THz-Transienten (1 MV/cm Spitzenfeldamplitudeund Pulsdauer 100 Femtoskunden) angeregt werden. Durch geeignetes Design ist es möglich, den entsprechenden THz-Strom in einem kleinen Volumen zu konzentrieren. Die entsprechenden Ohmschen Verluste führen zu einem ultraschnellen Aufheizen. Auf diese Weise wird es möglich thermische Gradienten von über 1 K/nm zu generieren. Diese Gradient treiben entsprechend große Wärmeströme und generieren in metallischen Strukturen mit Spin-Bahn-Wechselwirkung durch den Spin Nernst-Effekt transversale Spinströme. Diese führen zu einer Spin-Akkumulation, die gleichzeitig mit der Methode der Zeitaufgelösten Kerr Mikroskopie abgebildet wird (Ortsauflösung 200 nm). Da die Heizpulse den Wärmestrom auf einer sub-Pikosekunden-Zeitskala einschalten, erlauben diese Experimente die zeitaufgelöste Untersuchung von Aufbau- und Zerfallsdynamik der durch den Spin-Nernst-Effekt erzeugten Spin-Akkumulation.

Organische Solarzelle haben mit dem Problem zu kämpfen, dass erzeugte Exzitonen häufig rekombinieren, bevor Sie Grenzflächen zwischen p- und n-Gebiet erreichen, an denen Sie in Elektronen und Löcher aufgetrennt werden können. Der begrenzten Exzitonendiffusionslänge wird heutzutage zum Beispiel durch die Verwendung von Bulk-Heterojunctions Rechnung getragen. In diesem Projekt sollen durch Schattenbedampfung auf dreidimensional strukturierten Oberflächen Systeme erzeugt werden, in denen der Abstand zur nächsten Grenzfläche in jedem Punkt der Solarzelle nur wenige zehn Nanometer beträgt.

Ziel dieses Teilprojektes ist das Verständnis der gekoppelten Dynamik in multiferroischen, epitaktischen Heterostrukturen unter dem Einfluss externer Felder. Das Hauptziel ist der Nachweis und die Quantifizierung der dynamischen Kopplung zwischen den beiden multiferroischen Parametern Polarisation und Magnetisierung. Systeme, die untersucht werden, sind vorrangig ferroelektrische Schichten mit ferromagnetischen Elektroden. Aus epitaktischen Heterostrukturen, bestehend aus leitender Basiselektrode, epitaktischer ferroelektrischer Schicht sowie ferromagnetischer Deckelektrode werden die Proben mittels Photo- oder Elektronenstrahllithographie hergestellt. Die Dynamik der multiferroischen Kopplung zwischen Polarisation und Magnetisierung wird untersucht, indem wahlweise Magnetisierung/Polarisation angeregt und der komplementäre Parameter (Polarisation/Magnetisierung) gemessen wird. Zuerst wird der Einfluss der Magnetisierung auf die Polarisation festgestellt. Die Probe befindet sich in der Nähe eines Wellenleiters, durch den mit kurzen Strompulsen Magnetfeldpulse erzeugt werden können. Die Kopplung der Schaltprozesse der Magnetisierung an die elektrische Polarisation, d.h. die magnetoelektrische Kopplung, wird mit konventioneller dynamischer Messung der ferroelektrische Polarisation (PUND-Positive-up-negative-down-Messung) nachgewiesen. Später wird mittels zeitaufgelöstem Magnetooptischem Kerr Effekt (t-MOKE) der Einfluss der Polarisation auf die Magnetisierung festgestellt. Die Polarisation des Ferroelektrikums wird mit kurzen elektrischen Pulsen umgeschaltet. Die Magnetisierung der Deckelektrode wird kurze Zeit während und nach diesem Umschaltprozess mit MOKE bestimmt. Die Laserpulse, die zur t-MOKE eingesetzt werden, werden gleichzeitig zur Synchronisation der elektrischen Pulse genutzt. Unterstützt werden diese Untersuchungen durch ferromagnetische Resonanzmessungen (FMR) mit verschiedenen Ansätzen. Mit Frequency-Domain Messungen wird das Spinpumpen durch eine ferroelektrische Zwischenschicht untersucht. Außerdem werden in Ferroelektrikum/Ferromagnet-Bilagen die Änderung der Anisotropie des Ferromagneten bei Anlegen einer Spannung ans Ferroelektrikum verfolgt. Im fortgeschrittenen Stadium werden Zeitbereichsmessungen durchgeführt, in denen Pulsinduzierte FMR (PIM) mit kurzen elektrischen Spannungspulsen am Ferroelektrikum synchronisiert wird. Hierbei können die Pulse zeitlich gegeneinander verschoben werden, so dass es möglich ist, während der Präzession der Magnetisierung das Ferroelektrikum anzuregen. Die experimentellen Untersuchungen werden von der Theorie eng begleitet. Unser Zugang zur multiferroischen Dynamik beruht auf einer Kopplung der ferromagnetischen Dynamik, die wir auf dem Niveau der Landau-Lifshits-Gilbert-Gleichung beschreiben, mit der Polarisationsdynamik, die in Abwesenheit der multiferroischen Kopplung durch die Landau-Ginzburg-Theorie erfasst wird. Die numerische Umsetzung auf einem Gitter erlaubt uns die multiferroische Dynamik unter dem Einfluss äußerer elektromagnetischer Felder zeitlich und örtlich zu verfolgen. Weiterhin werden wir die FMR-Signale für die Experimente unter Einbeziehung von Temperatureffekten ausrechnen. Ein spezielles Augenmerk gilt dabei dem Einfluss der multiferroischen Kopplung an den Grenzflächen auf die gemessenen FMR-Signale.

Spin-Pumpen und Spin-Transfer-Torque sind Phänomene, die bisher hauptsächlich an metallischen Systemen untersucht worden sind. Hier sollen diese Effekte an ferromagnetischen Oxiden mit hoher Spinpolarisation untersucht werden, was höhere Effizienz und stärkere Effekte erwarten lässt. Außerdem erlauben die hohen Anisotropien in magnetischen Oxiden zusätzliche Freiheitsgrade im Vergleich zu Metallen. Zunächst soll der Effekt des Spin-Pumpens anhand der ferromagnetischen Resonanz oxidischer Filme (FMR) nachgewiesen werden. Hierzu wird die Kopplung der Resonanz in verschiedenen ferromagnetischen Oxidfilmen untersucht, die zum Beispiel durch dünne leitende Schichten oder Tunnelbarrieren getrennt sind (z.B. LanthanStrontiumManganat- StrontiumTitanat/StrontiumRuthanat). Hierbei sind besonders Oxidfilme interessant, deren Curie-temperatur unterhalb von 300 K liegt. Da das FMR-Experiment auch bei tiefen Temperaturen betrieben werden kann, erlaubt die Temperatur hier einen zusätzlichen Freiheitsgrad zum Einstellen von Magnetisierung und Anisotropie, der es z.B. erleichtert, ähnliche Resonanzfrequenzen für zwei Schichten zu erreichen. Im Folgenden werden die Untersuchungen auf den Spin-Torque in Oxid-Metall Nanostrukturen erweitert. Zusätzlich zu den genannten Arbeiten wird das Projekt außerdem die Änderung der Anisotropie durch angelegte Spannungen in künstlichen geschichteten Multiferroika untersuchen, die von an-deren Projekten zur Verfügung gestellt werden. Hierzu wird das FMR-Experiment dergestalt erweitert, dass die Messungen auch bei angelegtem elektrischen Feld durchgeführt werden können.

The goal of IFOX is to explore, create and control novel electronic and magnetic functionalities, with focus on interfaces, in complex transition metal oxide heterostructures to develop the material platform for novel ‘More than Moore’ (MtM) and ‘beyond CMOS’ electronics, VLSI integratable with performance and functionality far beyond the state-of-the art.
To this end it will:
Establish a theoretical basis to identify the most promising materials/heterostructures and to understand the new functionalities relevant for electronic applications
Grow oxide films on commercial substrates with a quality comparable to state-of-the-art semiconductor growth
Establish their patterning and processing conditions within the boundary conditions of current fabrication technologies
Characterize their structural, electronic and magnetic properties to deliver concepts for novel charge and/or spin based devices in the areas of memories, logic and sensor applications.
Investigations include ferroelectric and ferromagnetic oxides as well as artificial multiferroic heterostructures (deposited on large area silicon substrates) with as final deliverable concepts for multifunctional magneto-electronics devices controlled by electric and magnetic fields and ultimately by ultra short light pulses.

The consortium of world leaders in the areas of theory, oxide deposition, lithography, device fabrication, and various characterization techniques will allow full control of all interface properties dominating the physical behaviour of oxide nano- and heterostructures. The goals of IFOX are driven by the needs of a large automotive company (FIAT) seeking to use oxides in electronic sensors for MtM and automotive applications. It is further supported by two SMEs with expertise and infrastructure for epitaxial oxide growth on Si with the goal to transfer academic knowledge to industry.