Neue Materialien für die Spintronik

Neue Materialien für die Spintronik

Ein internationales Forscherteam hat einen magnetischen Halbleiter auf Siliziumbasis entwickelt. Mit ihm ließe sich der Elektronenspin für die Siliziumelektronik nutzbar machen.

Dass die Elektronen neben ihrer Ladung auch einen Spin besitzen, spielt in der Halbleiterelektronik so gut wie keine Rolle. In magnetischen Datenspeichern hingegen ist der Elektronenspin gefragt. Er liegt den ferromagnetischen Eigenschaften der Speichermaterialien ebenso zugrunde wie dem Riesenmagnetwiderstand, der den gebräuchlichen Leseköpfen ihre enorme Empfindlichkeit gibt. Da liegt es nahe, den Elektronenspin auch für die Elektronik zu nutzen. Dazu müsste man die Spins der in den Halbleiterchips fließenden Elektronen ausrichten.

Die auf diese Weise spinpolarisierten Ströme könnte man schon mit relativ schwachen Magnetfeldern steuern, statt sie wie bisher mit starken elektrischen Feldern zu beeinflussen. Schaltete man einen solchen integrierten Spintronik-Chip aus, so behielten die Spins ihre Ausrichtung, und die im Spinmuster gespeicherten Informationen gingen nicht verloren. Beim erneuten Anschalten stünden die Informationen sofort wieder zur Verfügung. Sie müssten nicht erst, wie beim „Booten der heutigen PCs, langwierig aus einem Magnetspeicher gelesen werden.

Doch noch sind integrierte Spintronik-Chips Zukunftsmusik, weil die bislang bekannten magnetischen Halbleitermaterialien nicht mit der Siliziumtechnologie verträglich sind. Magnetische Halbleiter auf Siliziumbasis passen sich nur widerwillig einer Siliziumunterlage an. Der am weitesten entwickelte magnetische Halbleiter GaMnAs enthält überhaupt kein Silizium. Er ist unterhalb von 50 K ferromagnetisch, wobei der Magnetismus von den ausgerichteten Spins beweglicher Elektronen herrührt. Andere Halbleiter wie GaMnN sind sogar noch bei Zimmertemperatur magnetisch. Da ihr Magnetismus jedoch vermutlich von den ausgerichteten Spins unbeweglicher Elektronen stammt, würden sie sich nicht für die Spintronik eignen.

Jetzt hat ein internationales Forscherteam um John DiTusa von der Louisiana State University in Baton Rouge einen magnetischen Halbleiter auf Siliziumbasis hergestellt, der viele der gewünschten Materialeigenschaften aufweist. Da reines Silizium unmagnetisch ist, mussten die Forscher es durch Zugabe von Kobalt und Eisen magnetisch machen. Die Eisen- und Kobaltatome konnten gegeneinander ausgetauscht werden, ohne dass das Kristallgitter dabei verformt und gestört wurde. Das so entstandene Material Fe _1-xCo _xSi war ein ferromagnetischer Halbleiter. Seine Curie-Temperatur, oberhalb der der Ferromagnetismus verschwand, erreichte bei der chemischen Zusammensetzung x=0,4 mit 53 K ihren höchsten Wert.

Dass im Fe _1-xCo _xSi tatsächlich die Leitungselektronen für den Ferromagnetismus verantwortlich sind, haben DiTusa und seine Kollegen mit Hilfe des Hall-Effekts überprüft. Sie kühlten eine dünne Schicht des Halbleitermaterials unter die Curie-Temperatur ab und setzten sie einem starken, senkrecht zur Schicht stehenden Magnetfeld aus. Dann legten sie eine Spannung längs der Schicht an, die daraufhin von einem Strom durchflossen wurde. Außerdem trat eine Hall-Spannung auf und ein entsprechender Hall-Widerstand, der umso größer war, je stärker die Schicht magnetisiert war. Dieser anomale Hall-Effekt ist ein Zeichen dafür, dass die Spins der Leitungselektronen ausgerichtet sind. Oberhalb der Curie-Temperatur bricht diese Ausrichtung zusammen und der anomale Hall-Effekt verschwindet.

Für praktische Anwendungen eignet sich dieser magnetische Siliziumhalbleiter wegen seiner tiefen Curie-Temperatur allerdings noch nicht. Wer möchte schon einen Spintronik-Laptop haben, der auf eine Betriebstemperatur von 50 K gekühlt werden muss. Hier ist noch weitere Forschungsarbeit zu leisten. Die Erfolgsaussichten sind indes nicht schlecht, wie die mit anderen Halbleitermaterialien erreichten Ergebnisse zeigen. So haben Tomoteru Fukumura und seine Kollegen von der Tohoku Universität in Sendai den mit Kobalt dotierten Halbleiter Rutil (Ti _1-xCo _xO _2-d) unter die Lupe genommen, der auch noch bei Zimmertemperatur ferromagnetisch ist. Auch dieser magnetische Halbleiter zeigte unterhalb der Curie-Temperatur einen anomalen Hall-Effekt, der darauf schließen lässt, dass sich in ihm spinpolarisierte Ladungsträger bewegen.

Vielleicht kann die Untersuchung des kobaltdotierten Rutils dabei helfen, auch Halbleiter auf Siliziumbasis herzustellen, die noch bei Zimmertemperatur ferromagnetisch sind. Gelänge dies, so würde die Entwicklung der Spintronik einen großen Sprung nach vorn machen. John DiTusa ist jedenfalls optimistisch. Er erwartet den ersten spintronischen Computerchip in Laufe der nächsten zehn Jahren.

Rainer Scharf

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Ncholu Manyala et al.: Large anomalous Hall effect in a silicon-based magnetic semiconductor. Nature Materials 3, 255 (2004)
  http://www.nature.com/doifinder/10.1038/nmat1103

• Originalveröffentlichung:
  Hidemi Toyosaki et al.: Anomalous Hall effect governed by electron doping in a room-temperature transparent ferromagnetic semiconductor. Nature Materials 3, 221 (2004) http://www.nature.com/doifinder/10.1038/nmat1099

• Kontakt:
  John DiTusa,
  http://www.phys.lsu.edu/dept/direct/ditusa.html
  Tomoteru Fukumura,
  http://www-lab.imr.edu/~wkwsklab/members/fukumura.html

• Webseiten über Spintronik:
  http://www.weltderphysik.de/themen/stoffe/phaenomene/magnetismus/spintronic/
  http://www.physik.uni-wuerzburg.de/EP3/Arbeitsgruppen/Spintronics/spinstoryg.htm
  http://www.iquest.ucsb.edu/sites/Awsch/

Weitere Literatur

• Tomoteru Fukumura et al.: Exploration of oxide-based diluted magnetic semiconductors toward transparent spintronics. Applied Surface Science 223, 62 (2004) http://xxx.arxiv.org/abs/cond-mat/0305435

• Glenn Zorpette: The Quest for the Spin Transistor. IEEE-Spectrum (Dezember 2001) http://www.spectrum.ieee.org/WEBONLY/publicfeature/dec01/spin.html

• R Jansen: The spin-valve transistor: a review and outlook. J. Phys. D: Appl. Phys. 36, R289 (2003) http://stacks.iop.org/0022-3727/36/R289