Raumtemperatur-Spinelektronik: Magnetische Halbleiter auf der Basis von ZnO
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen dieses Projektes sollte Übergangsmetall-dotiertes ZnO hergestellt und detailliert untersucht werden. Eine notwendige Voraussetzung zur Herstellung von magnetischen Halbleitern ist qualitativ hochwertiges Basismaterial. So wurde zuerst die Herstellung von einkristallinen ZnO- Schichten optimiert. Danach wurden Heteroschichtsysteme mit ternären ZnO-basierten Halbleiterschichten hergestellt und im Hinblick auf die Realisierbarkeit von magnetischen ZnO:X (X = Übergangsmetall) für spinelektronische Anwendungen untersucht. Die Arbeiten in diesem Projekt fanden wegen des Umzugs des Antragsstellers (Prof. Waag) von der Universität Ulm zur Technischen Universität Braunschweig an beiden Standorten statt. In ZnVO:Ga-Epitaxieschichten konnte ein ferromagnetisches Verhalten in Magnetisierungsmessungen beobachtet werden. Transportuntersuchungen konnten dies allerdings nicht bestätigen, sondern zeigten eindeutig paramagnetisches Verhalten mit einem kleinen anomalen Anteil ohne Hysterese. Der Die für ferromagnetische Halbleiter wie z.B. GaMnAs typischen Magnetowiderstandsverläufe konnten in ZnVO nicht bestätigt werden. Ferromat(metisches Verhalten von ZnMnO konnte weder in 55Mn+-implantierten Volumen ZnO- Kristallen als auch in implantierten Epitaxieschichten nachgewiesen werden. Es konnte gezeigt werden, dass beispielsweise das für die ZnO-Epitaxie häufig eingesetzte Substratmaterial Saphir zum Teil ferromagnetische Verunreinigungen enthält. Es darf also bei den erwähnten Veröffentlichungen zumindest an den Ursachen für das Zustandekommen der ferromagnetischen Kopplung in ZnMnO gezweifelt werden. Vor allem auch im Zusammenhang mit den Ergebnissen der vorliegenden Arbeit, die eindeutig ein paramagnetisches Verhalten von Mn2+ in kristallinem beziehungsweise epitaktischem ZnO bestätigen, und eine antiferromagnetische Kopplung der Mn2+ in ZnO:Ga vermuten lassen. Es ergaben sich keine Hinweise auf eine ferromagnetische Wechselwirkung in den hergestellten Proben. Es konnten ZnMgO-ZnMnO Quantentopf-Heterostrukturen hergestellt werden. Polarisationabhängige PL Messungen ergaben jedoch keinen Hinweis auf eine ausgerägte Spin-Polarisation. Insgesamt konnte trotz erheblicher Anstrengungen zur Verbesserung der Qualität von magnetischem ZnO weder in Magnetotransportmessungen noch in Magneto-Photolumineszenz keine klaren Hinweise auf Spinpolarisation gefunden werden. Dies entspricht zwar dem Stand der Technik, ist aber dennoch enttäuschend. Die Relevanz von magnetischem ZnO für die weitere Entwicklung der Spinelektronik wird daher eher kritisch gesehen. Da immer noch kein reproduzierbarer Prozess zur p-Dotierung von ZnO weltweit zur Verfugung steht, können die Experimente zum jetzigen Zeitpunkt nicht auf pdotiertes ZnO übertragen werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Spin and energy transfer between magnetic ions and free carriers in dilute magnetic semiconductor heterostructures; phys. stat, sol. Cl 989-992 (2004)
D.R. Yakovlev, D. Keller, W. Ossau, L.W. Molenkamp, A.V. Scherbakov, A.V. Akimov, A. Waag
- Spin-resolved single-electrontunneling and local density of states fluctuations in high magnetic fields; Physica E 22 (2004) 434-437
J. Konemann, O.K. Maude, V. Avrutin, A. Waag, R.J. Haug
- High-Quality ZnO Layers Grown by MBE on Sapphire; Elsevier - Superlattices and Microstructures 38, 265-271 (2005)
A. El-Shaer, A. Che Mofor, A. Bakin, M. Kreye, A. Waag
- Magnetic Property investigations on Mn-doped ZnO layers on sapphire; Appl. Phys. Lett. 87, 062501 (2005)
A. Che Mofor, A. El-Shaer, A. Bakin, A. Waag, H. Ahlers, U. Siegner, S. Sievers, M. Albrecht, W. Schoch, N. Izyumskaya, V. Avrutin, S. Sorokin, S. Ivanov, J. Stoimenos
- Magnetoresistance in epitaxialfy grown degenerate ZnO thin films: Appl. Phys. Lett. 87, 112104 (2005)
F. Reuss, S. Frank, C. Kirchner, R. Kling, Th. Gruber and A. Waag
- A Study of ZnMnO as a Material for Magneto- and Spin electronics, phys. stat. sol. (c) 3, No. 4, 1104-1108 (2006)
A.C. Mofor, F. Reuss, A. El-Shaer, H. Ahlers, U. Siegner, A. Bakin, W. Limmer, J. Eisenmenger, Th. Mueller, P. Ziemann, and A. Waag
- CBE Growth of High-Quality ZnO Epitaxial Layers; phys. stat. sol. (b) 243, No. 4, 768-772 (2006)
A. El Shaer, A. Bakin, A. Che Mofor, J. Biasing, A. Krost, J. Stoimenos, B. Pecz, M., Kreye, M. Heuken, A. Waag
- Magnetic Property Investigations on ZnMnO; Superlattices and Microstructures 39, 381-386 (2006)
A. Che Mofor, A. El-Shaer , A. Bakin, H.-H. Wehmann, A. Waag, H. Ahlers, U. Siegner, S. Sievers, M. Albrecht, W. Schoch, N. Izyumskaya, V. Avrutin, J. Stoimenos
- MBE growth of ZnO layers on sapphire employing hydrogen peroxide as an oxidant, J. of Crystal Growth, V. 287, n. 1, pp. 7-11 (2006)
A. Bakin, A. El-Shaer, A. Che Mofor, M. Kreye, A. Waag, F. Bertram, J. Christen, J. Stoimenos
- Optical and electrical properties of ZnMnO layers grown by peroxide MBE; Superlattices and Microstructures, 39, 291-298 (2006)
V. Avrutin, Ü. Özgür, H. Lee, H. Morkoc, A. Che Mofor, A. El-Shaer , A. Bakin, A. Waag, N. Izyumskaya, W. Schoch, F. Reuss, V. Beshenkov, A.N. Pustovit, A.F. Vyatkin
