Untersuchung der magnetischen Anisotropie in antiferromagnetischen Mangan-Nitriden

• Antragsteller: Professor Dr. Markus Meinert
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 389563477

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

In heutigen Festplatten-Leseköpfen kommen spintronische Bauelemente zum Einsatz, die eine Schicht aus einem antiferromagnetischen Material enthalten. Eine weitere Anwendung dieser Bauelemente ist der magnetic random access memory, der als Kandidat für einen energieeffizienten Ersatz des konventionellen DRAM im Computer entwickelt wird. Die antiferromagnetischen Materialien dienen dazu, eine magnetische Referenzrichtung innerhalb des Bauelements zu erzeugen. Dabei werden entweder Iridium- oder Platin-haltige Legierungen eingesetzt. Beide Elemente sind selten, kostspielig, und deren Gewinnung geht oft mit massiven Umweltschäden einher. Um einen Beitrag zur „Green IT“ zu leisten, werde Materialien mit ähnlichen Eigenschaften aber ohne Einsatz von kritischen Elementen gesucht. Das hier untersuchte Material MnN stellt eben einen solchen, vielversprechenden Kandidaten dar, der in unseren Voruntersuchungen herausragende Eigenschaften zeigte. Ziel des vorliegenden Projekts war es, die Eigenschaften des Materials durch sehr kontrollierte Herstellung von Schichtsystemen besser zu verstehen und seine Wachstumseigenschaften besser steuern zu können. Die zentralen Resultate unserer Untersuchungen lassen sich so zusammenfassen: (1) Die Herstellung von MnN is mittels Verdampfung unter Einsatz einer Stickstoff-Atomstrahlquelle möglich. Dabei sind jedoch keine bessere Schichtqualität und keine besseren magnetischen Eigenschaften als durch Sputterdeposition erreichbar. (2) Die Herstellung von einkristallinen MnN-Schichten ist schwierig. Wir konnten unter Ausschöpfung des gesamten Spektrums an Materialsynthese auf verschiedenen Substraten, bei verschiedenen Temperaturen und mit verschiedenen kompatiblen Zwischenschichten keine Heteroepitaxie erreichen. Somit war auch die Untersuchung der magnetischen Eigenschaften unter Kontrolle der Kristallgittereigenschaften leider nicht möglich. (3) Die thermische Stabilität beim Heizen von MnN-basierten Schichtsystemen lässt sich stark verbessern, indem man bestimmte Elemente in das Kristallgitter in geringer Konzentration einbaut, die die Bindungsenergie des Gitters erhöhen. (4) Die Stickstoff-Konzentration im MnN und die Interdiffusion des Stickstoffs in die umliegenden Schichten spielen eine entscheidende Rolle für die Eigenschaften des Schichtsystems und müssen im gesamten Wachstumsprozess berücksichtigt werden. Die Flüchtigkeit des Stickstoffs ist der wesentliche Treiber des Verlusts der magnetischen Eigenschaften des Schichtsystems bei hoher Temperatur. (5) Die MnN-Schichten zeigen ein säulenartiges Wachstum mit sehr kleinem Korndurchmesser. (6) Mittels des Spin Hall Effekts von Pt lässt sich die magnetische Ordnung von poykristallinem MnN elektrisch manipulieren oder „schalten“. Dies erlaubt einen neuartigen Zugang zur Messung der magnetischen Eigenschaften von Antiferromagneten, der sich problemlos umsetzen lässt und somit zu neuen oder erweiterten Kenntnissen über antiferromagnetische Materialien im Allgemeinen führen kann. Wir haben die dafür nötigen experimentellen und theoretischen Grundlagen geschaffen. Das Projekt ist wegen verschiedener Schwierigkeiten vom ursprünglichen Forschungsplan teils deutlich abgewichen. Es hat jedoch viele interessante Erkenntnisse über das spezielle Materialsystem aber auch über antiferromagnetische Materialien im Allgemeinen geliefert. Wir werten die durchgeführte Arbeit daher als erfolgreichen Ausgang des Projekts.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• J. Appl. Phys. 124, 203902 (2018). Improved thermal stability in doped MnN/CoFe exchange bias systems
  M. Dunz, B. Büker, and M. Meinert
  
• J. Magn. Magn. Mater. 476, 278 (2019). Thermal stability of exchange bias systems based on MnN
  J. Sinclair, A. Hirohata, G. Vallejo-Fernandez, M. Meinert, and K. O’Grady
  
• Phys. Rev. Mater. 3, 064413 (2019). Effects of field annealing on MnN/CoFeB exchange bias systems
  P. Quarterman, I. Hallsteinsen, M. Dunz, M. Meinert, E. Arenholz, J. A. Borchers, and A. J. Grutter
  
• J. Appl. Phys. 128, 153902 (2020). Role of the Ta buffer layer in Ta/MnN/CoFeB stacks for maximizing exchange bias
  M. Dunz and M. Meinert
  
• Phys. Rev. Res. 2, 013347 (2020). Spin-orbit torque induced electrical switching of antiferromagnetic MnN
  M. Dunz, T. Matalla-Wagner, and M. Meinert