Feldkontrolle gebundener magnetischer Polaronen in magnetischen Oxiden (ConBMP)

• Antragstellerin: Professorin Dr. Heidemarie Schmidt
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 270442279

Magnetische Übergangsmetalloxide (TMO), deren magnetische, optische und Transport-Eigenschaften durch äußere Felder kontrolliert gesteuert werden können, haben das Potenzial, die Grenzen der transparenten Spintronik zu verschieben. Wir haben gezeigt, dass die Transport-Eigenschaften magnetischer Zinkoxid-Filme durch ein elektrisches und ein magnetisches Feld kontrolliert werden können (Phys. Rev. Lett. 101 (2008); Appl. Phys. Lett. Materials 2 (2014)). Die elektrische Leitfähigkeit der intrinsisch n-leitenden TMOs hängt zumeist von der Konzentration der Sauerstoff-Fehlstellen ab. Heutzutage können TMO-Dünnfilme mit einer gut kontrollierten Konzentration an Sauerstoff-Fehlstellen, z.B. mittels Sputtern der TMO-Dünnfilme in einer sauerstoffarmen Atmosphäre, hergestellt werden. Häufig verursachen schon sehr kleine Änderungen der Sauerstoff-Fehlstellen-Eigenschaften grundlegende Änderungen der TMO-Eigenschaften, zum Beispiel die Induzierung der Magnetisierung der TMOs aus einem nichtmagnetischen Zustand. Trotz gewaltiger Anstrengungen zur Aufklärung der physikalischen Ursachen für den beobachteten Raumtemperatur-Ferromagnetismus in magnetischen TMOs, konnte bisher nicht eindeutig nachgewiesen werden, welche Rolle Defekte bei der Entstehung des Raumtemperatur-Ferromagnetismus spielen. Desweiteren wurde bisher in den meisten Arbeiten die Vergrößerung der statischen Dielektrizitätskonstanten in magnetischen TMOs mit Erhöhung der Konzentration magnetischer Ionen vernachlässigt, so dass als Folge der Radius gebundener magnetischer Polaronen (BMP) in magnetischen TMOs unterschätzt wurde. Frühe Magnetisierungs-Messungen an magnetischen TMO-Dünnfilmen legen nahe, dass der Ferromagnetismus durch neutrale Sauerstoff-Fehlstellen (VO), welche mit zwei Elektronen besetzte F-Zentren (F) bilden, verursacht wird. Raumtemperatur-Ferromagnetismus wird jedoch besonders häufig an magnetischen TMO-Nanopartikeln, welche ein großes Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis haben, festgestellt. Später hat Eichel et al. einfach ionisierte Sauerstoff-Fehlstellen (VO+) in dem oberflächennahen Bereich magnetischer TMO-Nanopartikeln nachgewiesen und als physikalische Ursache für den beobachteten Raumtemperatur-Ferromagnetismus aufgezeigt [Functional Materials Letters 6 (2013)]. Wir planen im Rahmen des Projektes, Ferromagnetismus in -an freien Ladungsträgern verarmten- magnetischen Oxid-Dünnfilmen detailliert zu untersuchen. Wir werden 1.) die statische Dielektrizitätskonstante in Abhängigkeit von der Konzentration der magnetischen Ionen bestimmen, 2.) das bestehende BMP Modell an F+-Zentren anpassen, 3) magnetische ZnO- und MgO-Dünnfilme mit stabilen F +-Zentren herstellen, 4.) die charakteristischen magnetischen und Magnetotransport-Eigenschaften von F+ Zentren-BMPs nachweisen, sowie 5.) neue Ansätze für die Nutzung der riesigen inneren magnetischen Felder, welche den Ladungsträgertransport in magnetischen TMO-Dünnfilmen mit F+-Zentren-BMPs beeinflussen, entwickeln.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen