Spintransport in 3-dimensionalen Y3Fe5O12 Strukturen unter Verwendung von Atomlagendeposition

• Antragsteller: Professor Dr. Sebastian Gönnenwein; Privatdozent Dr. Andy Thomas
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 446571927

Yttrium-Eisengranat (Y3Fe5O12, YIG) ist ein elektrisch isolierender Ferrimagnet mit einer Ordnungstemperatur von 560 K. Aufgrund der ausgesprochen geringen Magnetisierungsdämpfung (Gilbert-Dämpfungsparameter bis hinunter zu wenigen 10 ppm) und der kleinen Koerzitivfelder werden YIG und verwandte magnetische Granate heute in verschiedenen Hochfrequenz-Anwendungen eingesetzt. Zudem sind diese Materialien aufgrund ihrer herausragenden Eigenschaften für Grundlagen-Experimente im Bereich der Magnonik und Spin-Elektronik sehr interessant. Allerdings werden derzeit vornehmlich YIG Einkristalle sowie planare dünne Filme verwendet. Die Herstellung und die Eigenschaften von komplizierteren, 3-dimensionalen (z.B. gekrümmten oder röhrenförmigen) Dünnfilmstrukturen aus YIG oder YIG-basierten Heterostrukturen sind bisher kaum experimentell untersucht, obwohl sehr interessante Eigenschaften vorhergesagt wurden. Im Rahmen dieses Projekts wollen wir daher dieses Feld erschließen, indem wir die Herstellung von YIG-Schichten mittels Atomlagen-Deposition (ALD) etablieren. ALD basiert auf sukzessiven, selbstlimitierten Oberflächenreaktionen und ermöglicht damit die konforme Beschichtung von beliebig geformten Oberflächen. Während die ALD von (binären) Oxid-Dünnfilmen in der Halbleiterindustrie bereits routinemäßig eingesetzt wird, müssen zur Herstellung von ternären Verbindungen wie Y3Fe5O12 verschiedene ALD-Zyklen kombiniert werden. Die erfolgreiche Atomlagen-Deposition von YIG, oder allgemeiner von Granat-Dünnfilmen, ist daher auch aus technologischer Sicht eine interessante Herausforderung. Wir wollen durch die Kombination von etablierten ALD-Prozessen in einem ersten Schritt sog. Nano-Laminate herstellen, in denen chemisch stabile binäre Konstituenten (Y2O3 bzw. Fe2O3 für YIG) in einer Dünnfilm-Heterostruktur übereinandergeschichtet werden. In einer Wärmebehandlung werden die Nano-Laminate dann in das gewünschte Material umgewandelt. Wir werden den Nano-Laminat-Prozess zuerst für Y3Al5O12 (YAG) etablieren, da die ALD von Al2O3 besonders robust ist und als ALD-Referenzprozess gilt, und dann zu YIG übergehen. Die magnetischen Eigenschaften der so hergestellten Schichten werden mit Magnetometrie und magnetischer Resonanz quantifiziert. In Kombination mit dem ALD-Prozess für metallisches Pt können dann YIG/Pt Multilagen auf beliebig geformten Oberflächen abgeschieden werden. Solche Heterostrukturen sind für physikalische Experimente mit reinen Spin-Strömen sehr interessant. Dabei wollen wir anhand von Spin-Hall-Magnetwiderstands-Experimenten den Einfluss der lokalen Krümmung bzw. der Topologie auf den Spintransport untersuchen. Die hier angestrebte Atomlagen-Deposition von Yttrium-Eisengranat legt also die Basis für die Herstellung von modernen, dreidimensionalen Nanostrukturen aus diesem besonderen Material und sukzessiven (Spintransport-)experimenten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen