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Erst sind es nur dunkle Flecken, die sich im
Zeitraffer bewegen und verändern. Dann aber werden daraus
langgestreckte Inseln, die sich zu Streifen verbinden. Am Ende blickt
der Betrachter auf ein regelmäßiges Streifenmuster auf dem
Computerbildschirm, dass sich wie von selbst gebildet hat. "Die hellen
und dunklen Flächen entsprechen Bereichen mit unterschiedlichen
strukturellen und magnetischen Eigenschaften", erläutert Dr. Lutz
Däweritz vom Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik (PDI). Das
Material, in dem diese Muster entstehen, heißt Manganarsenid (MnAs)
und wurde als dünne Schicht auf Galliumarsenid (GaAs) abgeschieden.
Wissenschaftlich korrekt ausgedrückt: eine Hybridstruktur aus einem
Halbleiter (GaAs) und einem ferromagnetischen Material (MnAs), in dem
sich ferromagnetische und paramagnetische Streifen abwechseln.
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180 Nanometer dünne
Manganarsenid-Schicht. Links Rippen (hell) aus ferromagnetischem
Material und Rillen (dunkel) aus paramagnetischem Material. Rechts
der magnetische Kontrast innerhalb der ferromagnetischen Streifen.
Abb.: PDI |
Manganarsenid ist ein vielversprechendes Material
für die Spin-Elektronik. Dabei geht es darum, die magnetischen
Eigenschaften eines Elektrons (den "Spin") als Informationsträger zu
nutzen. Als "intelligentes Material" ist es weiterhin für Anwendungen
in der Sensorik interessant. Doch vor der Realisierung neuartiger
Ideen und Bauelemente steht die Forschung an Grundlagen. Schließlich
ist Manganarsenid in Form kristalliner Schichten hoher Perfektion ein
recht junges Material, nur wenige Forschergruppen weltweit arbeiten
damit.
Bei der systematischen materialwissenschaftlichen
Forschung am PDI zur Eignung von bestimmten Materialien als
Spininjektor spielte auch der Zufall eine gewisse Rolle, wie Dr.
Däweritz schmunzelnd erzählt: Ein Doktorand hatte den Auftrag, Mangan
in möglichst hoher Konzentration in Galliumarsenid einzubauen. Ziel
dieser Arbeiten zu den so genannten verdünnten magnetischen
Halbleitern war die Präparation von Schichten, die bei möglichst hohen
Temperaturen (oberhalb Raumtemperatur) noch ferromagnetische
Eigenschaften und gleichzeitig eine gute strukturelle Perfektion
aufweisen. Der Doktorand wählte die Temperatur für die Mangan-Quelle
viel zu hoch. "Als wir uns nachher an die Charakterisierung des
Materials machten", sagt Däweritz, "erkannten wir an den
Beugungsdiagrammen rasch, dass Manganarsenid entstanden war." Der
Forscher weiter: "Die strukturelle Perfektion veranlasste uns, weitere
detaillierte Untersuchungen vorzunehmen." So ließ sich das MnAs durch
exakte Kontrolle der Wachstumsbedingungen in unterschiedlichen
Orientierungen abscheiden. Die elektronenmikroskopische Untersuchung
zeigte die Ausbildung einer scharfen Grenzfläche, was für potenzielle
Anwendungen wichtig ist, und ermöglichte die Aufklärung des
Anpassungsmechanismus zwischen den höchst unterschiedlichen
Kristallgittern von Galliumarsenid und Manganarsenid.
Als besonders interessant und bedeutungsvoll
stellte sich das ungewöhnliche Verhalten von Manganarsenid-Schichten
beim Abkühlen nach dem Wachstum heraus. Die Abscheidung der
hauchdünnen Schichten auf dem Halbleitersubstrat mittels
Molekularstrahlepitaxie durch gleichzeitiges Aufdampfen von Mangan und
Arsen geschieht bei etwa 250 Grad Celsius. Dabei entsteht eine
hexagonale Struktur. Kühlt man die Probe ab, gibt es bei 125 Grad
einen ersten Phasenübergang, es entsteht eine orthorhombische
Struktur. Von entscheidender Bedeutung ist jedoch der zweite
Phasenübergang, der bei etwa 40 Grad zur Ausbildung einer wiederum
hexagonalen Struktur führt. Bei diesem Phasenübergang wird die Schicht
ferromagnetisch. Die Streifen sind die Folge einer diskontinuierlichen
Ausdehnung des kristallinen Materials in einer bevorzugten Richtung
während des Phasenübergangs. Die Koexistenz der orthorhombischen und
der hexagonalen Phase über einen ausgedehnten Temperaturbereich führt
zu einem energetisch günstigen Zustand. Wieso ausgerechnet eine Art
Nano-Waschbrett aus Manganarsenid entsteht, mit Rippen aus
ferromagnetische und Rillen aus paramagnetischem Material, konnte
durch eine Vielzahl von Untersuchungen verstanden werden, ohne dass
dies bis ins Letzte aufgeklärt ist. Aber es ist spannend genug, um das
Interesse der Forscher wach zu halten. "Mit der Technik der
Lithografie versucht man, Muster zu erzeugen", erläutert Däweritz, "
und hier macht es die Natur selbst". Mit überraschend perfekten
Übergängen, fügt er hinzu.
Auch weitergehende Zielstellungen werden in Angriff
genommen. PDI-Forscher untersuchen weitere Verbindungen und
Legierungen, die auch bei Temperaturen oberhalb 40 Grad Celsius
ferromagnetisch bleiben. Und schließlich werden die Streifen, die sich
selbst organisieren, auch unter anderen Gesichtspunkten betrachtet.
"Wir könnten uns Anwendungen vorstellen" sagt Däweritz, "bei denen die
Streifen stören, weil man eine homogene Schicht haben will". Also
untersuchen die Forscher am PDI auch, unter welchen Bedingungen nicht
mehr die Streifenstruktur, sondern vielmehr die homogene Schicht
stabil ist. |
