Herstellung von definierten Ge:Mn-Hybridstrukturen durch Selbstorganisationsprozesse bei der gepulsten Laserausheilung

• Antragsteller: Dr. Danilo Bürger
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 233957617

Die dem Antrag zugrundeliegende Forschung beschäftigt sich mit der Herstellung und der Charakterisierung selbstorganisierter Ge:Mn-Hybridstrukturen. Die untersuchten Ge:Mn-Hybridstrukturen werden unter Ausnutzung der Mullins-Sekerka-Instabilität beim Aufschmelzen der Oberfläche einer Germanium-Mangan (Ge-Mn)-Legierung mittels eines gepulsten Lasers hergestellt. Eine Mullins-Sekerka-Instabilität tritt beim Aufschmelzen mit den relativ kurzen Pulslängen von Excimer-Lasern (20 ns - 100 ns) nur selten auf. Wir verwenden Festkörperlaser mit Pulslängen von 300 ns - 1200 ns und konnten perkolierende, ferromagnetische, manganreiche, amorphe Ge:Mn-Nanonetze mit einem Leitungsquerschnitt von <10 nm eingebettet in manganarmes, kristallines Germanium herstellen.Das Mangan wird beim Rekristallisieren der aufgeschmolzenen Ge-Mn-Legierung ab einer kritischen Mn-Konzentration nicht mehr vollständig in das kristalline Germanium eingebaut und akkumuliert zunehmend in den noch flüssigen Bereichen, wodurch die Schmelz-/Erstarrungstemperatur dort lokal abgesenkt wird. Durch geschickte Wahl einer Laserpulsdauer kann das durch den Laser eingeprägte Temperatur in der flüssigen Phase lokal unterhalb der konzentrationsabhängigen Erstarrungstemperatur liegen, wodurch eine unterkühlte Schmelze erzeugt wird, welche hochgradig instabil rekristallisiert. Das ist eine Grundvoraussetzung für die Herstellung von Ge:Mn-Hybridstrukturen. Im nächsten Schritt sollen für die Nanoimprint-Lithografie nutzbare, geordnete Ge:Mn-Hybridstrukturen durch örtlich definierte Manganakkumulation erzeugt werden. Dies soll durch das Einbringen von künstlichen periodischen Störungen in der Manganverteilung vor der gepulsten Laserausheilung gelingen. Wir konnten zeigen, dass sich solche manganreichen Strukturen durch chemisch selektives Ätzen entfernen lassen und damit Strukturgrößen < 10 nm herstellen lassen. Diese Strukturgrößen sind derzeit mit optischer Lithografie nicht zugänglich. Zudem konnten wir zeigen, dass in perkolierenden Ge:Mn-Nanonetzen eine starke Korrelation zwischen der Magnetisierung und dem anomalen Hallwiderstand besteht. Diese besondere Eigenschaft wurde bisher nur bei dem verdünnten magnetischen Halbleiter GaAs:Mn so deutlich beobachtet. Die Herstellung eines perkolierenden Nanonetzes stellt deshalb einen neuen Ansatz für die Spintronik zur Verknüpfung von magnetischen und halbleitenden Eigenschaften für die Informationsverarbeitung dar. Das von uns vorgestellte Thema könnte Beiträge zur Nanoimprint-Lithografie und zur Grundlagenforschung auf dem Gebiet des Transports spinpolarisierter Ladungsträger in magnetischen Nanostrukturen leisten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen