Entwicklung der langreichweitigen magnetischen Ordnung vom paramagnetischen Dotieratom zum superparamagnetischen Ensemble, Charakterisierung der magnetischen Wechselwirkung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Magnetismus spielt in der Datenverarbeitung und insbesondere in der Datenspeicherung eine herausgehobene Rolle. Ferromagnetische Materialien und damit letztlich der Eigendrehimpuls (Spin) des Elektrons sind Träger der analog (Tonband) oder digital (Festplatte) gespeicherten Daten, während die Verarbeitung der Daten auf Strömen und Spannungen und damit letztlich auf der Ladung des Elektrons beruht. In Zukunft verspricht man sich von der gleichzeitigen Nutzung von Spin und Ladung des Elektrons erhebliche Vorteile in der elektronischen Datenverarbeitung wie z.B. reduzierten Energie- bzw. Platzbedarf oder erhöhte Rechengeschwindigkeit. Es existieren sogar Visionen, dass man mit einzelnen Spins Rechenoperationen nachvollziehen könnte, die von den Gesetzen der Quantenphysik und nicht mehr der klassischen Physik bestimmt würden. Dieses recht junge Forschungsfeld wird im Allgemeinen als Spinelektronik bezeichnet und steht noch immer vor ungelösten grundlegenden Fragestellungen. Während Ferromagnetismus, also die spontane Ordnung der Spins, ein kollektives Ordnungsphänomen ist, welches erst durch Vielteilcheneffekte erklärbar wird, verhalten sich isolierte Spins paramagnetisch, d.h. sie sind zunächst ungeordnet und werden erst durch ein äußeres Magnetfeld ausgerichtet. Eine der Herausforderungen der Spinelektronik ist es, ein per se „unmagnetisches“ Material, vorzugsweise einen Halbleiter, durch gezielte „Verunreinigung“ (Dotierung) ferromagnetisch zu machen. Hierbei kommt es auf die Wechselwirkungen zwischen isolierten Spins an, insbesondere auf deren gezielte Manipulation. In diesem Projekt wurden im Wesentlichen zwei Ansätze verfolgt, sich dieser Fragestellung zu nähern. Zum einen wurde in einem Modellsystem, Zinkoxid dotiert mit Kobalt, die Wechselwirkung solcher Dotieratome untereinander ausgemessen, und Versuche unternommen, diese Wechselwirkung durch Hinzugabe weiterer Dotierelemente, z.B. Stickstoff zu verändern. Hierbei wurde gefunden, dass sich die Kobaltatome unter bestimmten Herstellungsbedingungen zu winzigen Partikeln zusammenlagern, deren Verhalten zwischen Para- und Ferromagnetismus liegt, sogenannte superparamagnetische Partikel. Diese wechselwirken jedoch nicht mit dem Ladungsträgersystem des ZnO, so dass eine magnetische Funktionalisierung des ZnO durch Kobalt-Dotierung nicht möglich ist. Die gilt selbst bei extrem hohen Kobaltkonzentrationen oder bei Zugabe weiterer Dotierstoffe. Zum anderen wurden neue experimentelle Methoden entwickelt, um nanoskalige magnetische Materialien wie die oben erwähnten superparamagnetischen Partikel zu untersuchen. Hierzu wurde auf Röntgenmikroskopie (XMCD-PEEM) zurückgegriffen, um einzelne Partikel abzubilden und ihre magnetischen Eigenschaften individuell untersuchen zu können. Ein erster Erfolg ist die Aufnahme einer magnetischen Hysterese eines einzelnen Eisen-Nanowürfels mit einer Kantenlänge von nur 18 Nanometern.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Magnetism of Co doped ZnO with Al codoping: Carrier-induced mechanisms versus extrinsic origins. Phys. Rev. B 82, 041202(R) (2010)
A. Ney, V. Ney, S. Ye, K. Ollefs, T. Kammermeier, T. C. Kaspar, S. A. Chambers, F. Wilhelm, and A. Rogalev
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Element-Specific Magnetic Hysteresis of Individual 18 nm Fe Nanocubes. Nano Lett. 11, 1710 (2011)
Florian Kronast, Nina Friedenberger, Katharina Ollefs, Sebastian Gliga, Logane Tati-Bismaths, Ronja Thies, Andreas Ney, Ramona Weber, Christoph Hassel, Florian M. Römer, Anastasia V. Trunova, Christian Wirtz, Riccardo Hertel, Hermann A. Dürr, and Michael Farle
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Structural, chemical and magnetic properties of secondary phases in Co-doped. ZnO New J. Phys. 13, 103001 (2011)
A. Ney, A. Kovács, V. Ney, S. Ye, K. Ollefs, T. Kammermeier, F. Wilhelm, A. Rogalev, and R. E. Dunin-Borkowski
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Quantification of the magnetic exchange via element-selective high-field magnetometry: Co-doped ZnO epitaxial films. Phys. Rev. B 85, 245202 (2012)
A. Ney, V. Ney, F. Wilhelm, A. Rogalev, and K. Usadel
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Structure of epitaxial (Fe,N) codoped rutile TiO2 thin films by x-ray absorption. Phys. Rev. B 86, 035322 (2012)
T. Kaspar, A. Ney, A. N. Mangham, S. M. Heald, Y. Joly, V. Ney, F. Wilhelm, A. Rogalev, F. Yakou, and S. A. Chambers
