Europium gibt Silizium den Dreh

Mit der Herstellung dünner EuO-Schichten auf Silizium öffnet eine internationale Forschergruppe die Tür zur Integration von Halbleiter- und Spintechnologie.

Elektronen sind kleine, geladene Magnete, die sich in einem Magnetfeld ausrichten lassen. Die Spinelektronik nutzt diese Eigenschaft der Elektronen aus. Wenngleich diese Technologie schon Einzug in unseren Alltag gehalten hat – die Funktion der Festplatten-Leseköpfe basiert auf dem Elektronenspin –, steht ihr großer Durchbruch noch aus. Voraussetzung für diesen Durchbruch ist die Integration der Spinelektronik mit der gewöhnlichen, auf Halbleitern basierenden Mikroelektronik. Wie die Zeitschrift „Nature Materials“ in ihrer neuesten Online-Ausgabe vorab berichtet, sind Physiker am Zentrum für Elektronische Korrelationen und Magnetismus (EKM) der Universität Augsburg zusammen mit Kollegen der Pennsylvania State University, der Forschungsneutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz und der Cornell University dieser Integration jetzt einen großen Schritt näher gekommen. „Wir sehen jetzt die Möglichkeit, Silizium-basierte Bauelemente zu realisieren, die über ihre elektrische Ladung hinaus auch den elektronischen Spin zur Informationsspeicherung und -verarbeitung nutzen“, sagt Andreas Schmehl. „Es ist uns gelungen, den ferromagnetischen Halbleiter Europiumoxid im direkten Kontakt mit Silizium herzustellen und nachzuweisen, dass dieses neue Material mit einer parallelen Ausrichtung von über 90 Prozent der Elektronen hochgradig spinpolarisiert ist.“

Die heutige, auf Halbleitern basierte Mikroelektronik zieht ihre Funktionalität ausschließlich aus der elektrischen Ladung der Elektronen. Elektronen besitzen neben ihrer Ladung aber auch noch eine weitere, für die Informationsverarbeitung hochinteressante Eigenschaft, ihren Spin nämlich. Der Spin eines Elektrons gleicht der Magnetisierung einer Kompassnadel, die sich bezüglich eines Magnetfelds nur parallel (up) oder antiparallel (down) ausrichten kann.

Bislang ungenutzte Elektroneneigenschaft
Die alltägliche Halbleiterelektronik ignoriert den Spin bislang. So sind in einem iPod 50 Prozent der Spins „up“ und 50 Prozent „down“ ausgerichtet, aber weder der iPod noch seine Benutzer ziehen daraus irgendeinen Nutzen. Hier setzt das junge Forschungsfeld der Spinelektronik an, das diese beiden Elektronensorten unterscheidet und in Bauelementfunktionen einsetzt. Hierzu bedarf es aber Materialien, die einerseits nur eine Spinsorte – „up“ oder „down“ – zur Verfügung stellen und andererseits mit der Halbleitertechnologie vereinbar sind.

Abb.: Material mit hochgradig ausgerichteten Elektronen: Die Ionen des Kristallgitters von Europiumoxid. (Quelle: Uni Augsburg)

Polarisierte EuO-Elektronen gelangen ohne Ausrichtungsverlust ins Silizium
Die Augsburger Physiker haben es geschafft, mit Europiumoxid (EuO) ein solches Material direkt auf Silizium, dem „Arbeitspferd“ der Halbleiterindustrie, herzustellen. Wie die Physiker zeigen konnten, weisen dabei 90 Prozent der elektronischen Spins des Europiumoxids in eine Richtung, deutlich mehr als in Konkurrenzmaterialien wie Eisen oder Kobalt. EuO ist in vielen Eigenschaften Silizium außerordentlich ähnlich, sodass die Verbindung dieser beiden Materialien erstmals die Möglichkeit eröffnet, die polarisierten Elektronen effizient und direkt in das Silizium zu leiten, ohne dass sie dabei ihre Ausrichtung zu verlieren.

Schutzschichten verhindern EuO-Zerfall
Das große Potenzial, das in Europiumoxid steckt, ist seit langem bekannt. Da EuO aber in Luft nicht stabil ist und zerfällt, konnte dieses Material bisher nicht in breitem Umfang genutzt werden. Durch die Entwicklung spezieller Schutzschichten und Bearbeitungsverfahren konnten die Augsburger Physikern dieses Problem lösen und damit die Tür zur Silizium-basierten Spinelektronik ein weites Stück aufzustoßen.

Quelle: Universität Augsburg

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Andreas Schmehl, Venu Vaithyanathan, Alexander Herrnberger, Stefan Thiel, Christoph Richter, Marco Liberati, Tassilo Heeg, Martin Röckerath, Lena Fitting Kourkoutis, Sebastian Mühlbauer, Peter Böni, David A. Muller, Yuri Barash, Jürgen Schubert, Yves Idzerda, Jochen Mannhart & Darrell G. Schlom, Epitaxial integration of the highly spin-polarized ferromagnetic semiconductor EuO with silicon and GaN, Nature Materials (Online-Veröffentlichung: 16. September 2007).
  http://dx.doi.org/10.1038/nmat2012
• Universität Augsburg:
  http://www.uni-augsburg.de
• Lehrstuhl für Experimentalphysik VI / EKM, Institut für Physik, Universität Augsburg:
  http://www.physik.uni-augsburg.de/exp6/