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Projekt
Nanometer-dicke YIG-Funktionsschichten und mikrostrukturierte Oberflächen für Spintronik-Anwendungen
Fachliche Zuordnung
Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
Mikrosysteme
Mikrosysteme
Förderung
Förderung von 2015 bis 2023
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 271741898
Die Magnonik, auch magnonische Spintronik genannt, ist ein aktuelles Forschungsgebiet der Spinwellenphysik, das sich mit Spinwellen und ihren Quanten, den Magnonen, beschäftigt und diese zur Informationsübertragung und -verarbeitung verwendet. Hierzu werden elektrische Signale in Magnonenströme konvertiert, auf einem magnonischen Chip verarbeitet und wieder in elektrische Signale zurückgewandelt. Bisher wurden 3d-Metalle und Legierungen wie Permalloy und Heusler-Verbindungen für diese Zwecke verwendet. Aufgrund ihrer hohen magnetischen Dämpfung sind jedoch die freien Weglängen der Spinwellen auf den Mikrometerbereich begrenzt. Im Gegensatz dazu wird für den magnetischen Isolator Yttrium-Eisengranat (YIG) in einkristalliner Form eine um zwei Größenordnungen geringere Dämpfung beobachtet, was Signalwege bis in den Zentimeterbereich möglich macht. Darüber hinaus versprechen YIG-Spintronik-Bauelemente aufgrund reduzierter Wärmeverluste (keine Elektronenbewegungen im Isolator) einen geringeren Energieverbrauch. Trotz großer Fortschritte bei der Gasphasenabscheidung von YIG-Dünnschichten konnten bis zum heutigen Zeitpunkt die niedrigen intrinsischen Dämpfungswerte nur für Mikrometer-dicke LPE-Schichten erreicht werden, welche nicht für die Herstellung von magnonischen Bauelementen im Sub-Mikrometerbereich geeignet sind. Das für dünne Schichten erreichbare Aspektverhältnis ist jedoch von entscheidender Bedeutung für Grenzschichteffekte, die eine effiziente Signalkonvertierung der Magnonen, basierend auf dem Spin-Hall- und Spin-Transfer-Torque-Effekt in YIG-Metall-Doppelschichten erst ermöglichen. Deshalb steht das Wachstum Nanometer-dünner LPE Schichten mit niedriger Dämpfung im Fokus neuester Untersuchungen und erfordert neue Ideen und Konzepte. Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung, Charakterisierung und Strukturierung Nanometerdünnen YIG-Schichtmaterials (20 -100 nm) mit für diese Schichtdicke beispiellos niedriger Dämpfung. Besonderes Augenmerk muss auf die Abscheidung von extrem glatten und defektfreien Oberflächen gelegt werden. In enger Kooperation zwischen den Projektpartnern, der Forschungseinrichtung Innovent e.V., die ausgewiesene Experten auf dem Gebiet der Epitaxie von Oxiden, vor allem ferrimagnetischer Eisengranate sind, und der TU Kaiserslautern, die intensiv Grundlagenforschung auf dem Gebiet der Magnonik betreibt, erfolgen die Verfahrenskonzeption, die Schichtherstellung und erste Experimente zur Fertigung eindimensionaler magnonischer Strukturen im Submikrometerbereich sowie eine zeitnahe Optimierung der Dünnschichttechnologie. Im Rahmen des Projektes kommen neben einer neuartigen Technologie der Flüssigphasenepitaxie seitens Innovents moderne Mikrostrukturierungsverfahren der TU Kaiserslautern zum Einsatz, um Submikrometer-YIG-Strukturen zu realisieren. Die Charakterisierung der YIG-Magnonik-Bauelemente wird mittels der in Kaiserslautern entwickelten Brillouin-Lichtstreuspektroskopie und modernster Mikrowellentechnik erfolgen.
DFG-Verfahren
Sachbeihilfen
Internationaler Bezug
Österreich
