Spin-Wechselwirkung funktionalisiertes Graphen für resistiv-magnetische Speicher

• Antragsteller: Professor Dr. Stefan Blügel; Professor Dr.-Ing. Thomas Mikolajick
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Theoretische Chemie: Moleküle, Materialien, Oberflächen ; Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 436553941

Die Nachfrage nach Spin-basierten logischen Bauelementen mit hoher Dichte und geringem Leistungsbedarf erfordert die Kombination von Materialien, die geeignete Spin-Transportkanäle mit langer Spin-Lebensdauer und Spin-Ausbreitung sowie topologisch stabile Spin-Texturen aufweisen, um als schnelle Informationsträger fungieren zu können. Diese Voraussetzungen für die Entwicklung der Spintronic-Technologie in den nächsten Jahren können durch die Ausnutzung der Spin- und Impulsfreiheitsgrade von Elektronen (Spin-Orbitronics, SO) in spezifischen Mehrschichtstrukturen erfüllt werden. Darüber hinaus ist die Entdeckung einer starken Dzyaloshinskii-Moriya-Wechselwirkung (DMI) an der Grenzfläche Graphen (Gr) / Ferromagnet (FM) ein entscheidender Schritt zur Verwirklichung der SO-Technologie, die die elektrische Steuerung des Transports und die Manipulation von (topologisch stabilen) magnetischen Srukturen ermöglicht.Die Partner des Konsortiums haben bereits die Möglichkeit aufgezeigt, den SOC durch Einbringung von Metall zu steuern und die wichtigen magnetischen Wechselwirkungen (senkrechte Anisotropie, dipolare Felder zwischen den Schichten oder des Grenzflächen-DMI) durch Schichtoptimierung zu verbessern, sowie Ferroelektrizität für die Anwendung in verschiedenen Arten ferroelektrischer Speicher zu entwickeln.Das SOgraphMEM-Projekt zielt darauf ab, i) die SOC-induzierten Parameter zu funktionalisieren, ii) die Spin-Orbitronic-Systeme/Bauelemente auf Graphenbasis zu charakterisieren und iii) bei Raumtemperatur zu testen. Dazu sollen die Vorteile der Kombination von ultradünnen FM-Filmen unter einer Gr-Schicht, nicht-magnetischen Schichten aus Schwermetallen (HM) und ferroelektrischen (FE) Verbindungen (dotiertes HfO2, HfZrO2) genutzt werden. Unser Ziel ist es, die Polarisation der FE auszunutzen, um letztendlich spannungsgesteuerte magnetische Schaltbauelemente zu realisieren.Zudem sollen Probleme, die im Zusammenhang mit der Steuerung des Grenzflächen-SOC induzierten Effektes mit Hilfe eines elektrisches Feld auftreten, untersucht werden. Darunter fallen: a) Auswirkungen des elektrischen Feldes auf die magnetische Anisotropie der Oberfläche und DMI, b) Spin-Orbit-Drehmoment (SOT) und Spin-Transfer-Drehmoment (STT) Eigenschaften als Funktion eines äußeren magnetischen und / oder elektrischen Feldes und c) magnetische Anisotropie des induzierten magnetischen Moments in Gr.Im Hinblick auf praktische Anwendungen wird SOgraphMEM den Weg für die Entwicklung der nächsten Generation von Spintronic-Bauelementen bereiten, die weit über das Moorsche-Gesetz hinausgehen und bei geringer Leistungsaufnahme, hohen Geschwindigkeiten sowie hoher Integrationsdichte eine effiziente Spininjektion und -detektion aufweisen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Belgien, Frankreich, Spanien
• Kooperationspartner: Professor Jean-Christophe Charlier, Ph.D.; Dr. Vincent Cros, Ph.D.; Dr. Nicolas Jaouen; Privatdozent Dr. Paolo Perna; Dr. Manuel Valvidares
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Stefan Slesazeck