Neue Nanomaterialien fuer die Spintronik: ein ab initio Ansatz

• Antragstellerin: Professorin Dr. Zeila Zanolli
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 313763069

Spintronik, d.h. Elektronik basierend auf dem Transport des Spins, ist die neue Herausforderung in der Nanoelektronik. Sie verspricht einen geringen Energieverbrauch, größere Zuverlässigkeit und eine höhere Dichte der Bauteile. Magnetische Halbleiter mit großer Spin-Bahn-Kopplung (spin-orbit coupling, SOC) sind die dafür am besten geeigneten Materialien. Konventionelle Halbleiter führen zu Bauteilen mit geringem Spinsignal aufgrund der kurzen Spindiffusionslänge. Ein Hauptziel dieses Projekts ist daher die Entwicklung neuer Materialien, um die Voraussetzungen für erfolgreiche Anwendungen in der Spintronik zu legen. Zu den vielversprechendsten Systemen gehören Kohlenstoffnanomaterialien, magnetoelektrische Multiferroika und Übergangsmetall-Dichalcogenide, die jeweils interessante Eigenschaften aber auch offene Probleme mitbringen. Auf Kohlenstoff basierende Nanomaterialien weisen typische Spindiffusionslängen von bis zu 100 Mikrometern und eine hohe Elektronengeschwindigkeit auf, beides wichtige Eigenschaften von Spintransistoren. Die große Spindiffusionslänge geht allerdings einher mit einer geringen SOC, was die Möglichkeit der Manipulations der Elektronen durch externe Felder stark einschränkt. Zusätzlich muss die verschwindende Bandlücke der Kohlenstoffmaterialien vergrößert werden, damit diese sich als Bauteil eignen, was entweder durch die Herstellung von Nanoribbons oder durch das Auftragen von Graphen auf ein Substrat erfolgen kann. Magnetismus kann in Kohlenstoff durch die Wechselwirkung mit magnetischen Molekülen oder einem magnetischen Substrat induziert werden. Durch die Kombination mit einem Material mit großer SOC kann ein Hybridsystems mit erhöhter SOC hergestellt werden. Übergansmetall-Dichalcogenide weisen eine große SOC auf, die durch die d-Elektronen des Übergangsmetalls hervorgerufen wird. Monolagen von Übergansmetall-Dichalcogeniden können Halbleiter mit einer direkten Bandlücke sein und an den Kanten und/oder durch ungesättigte Bindungen eine Spinpolarisation aufweisen. Eine Graphen/Übergansmetall-Dichalcogenid Heterostruktur könnte die hohe Elektronenmobilität des Graphens mit der Bandlücke des Übergansmetall-Dichalcogenides verbinden und daher ein idealer Kandidat für ein Spintronik Bauteil sein. Für die Beschreibung all dieser Materialien ist aufgrund der nanoskopischen Größe eine quantenmechanische und parameterfreie Computersimulation notwendig, um die notwendige Genauigkeit und Vorhersagekraft zu erreichen. Dieser Herausforderung werde ich durch die Verwendung einer Kombination von Dichtefunktionaltheorie und Nicht-Gleichgewichts Greenscher Funktionen begegnen, was die derzeit bestmögliche theoretische Berechnung von elektronischen, magnetischen und Spintransporteigenschaften erlaubt. Für ausgewählte Systeme werde ich darüber hinaus den Spintransport in mehrpoligen Bauteilen in Anwesenheit eines externen elektrischen und/oder magnetischen Feldes beschreiben, um realistische Bauteile zu modellieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen