Spintronik und Nanomagnetismus

Ferromagnete spielen in der Spinelektronik eine wichtige Rolle. Aufgrund der in diesen Materialien vorhandenen quantenmechanischen Austausch­wechsel­wirkung wird zwischen Elektronen mit nach oben gerichtetem Spin (Spin up) und nach unten gerichteten Spin (Spin down) energetisch unterschieden.

Eisen-Nickel-Schicht (Abb. 1)

Besonders wünschenswert sind sogenannte halbmetallische Ferromagnete, in denen nur eine Spinsorte vorhanden ist, die den Strom trägt. Man spricht dann von einer hundertprozentigen Spinpolarisation. Um aus solchen Materialien effiziente Elektroden zur Injektion von spinpolarisierten Strömen herzustellen (siehe den Beitrag: Spintronik), muss neben der hohen Qualität der Grenzfläche die Magnetisierung in Mikro- und Nanostrukturen maßgeschneidert werden.

Für die Anwendung in spinelektronischen Bauelementen sollte die Magnetisierung im injizierenden Bereich homogen und durch externe Magnetfelder einstellbar sein. Aus makroskopischen Ferromagneten ist bekannt, dass sich Domänen, sogenannte Weiss-Bezirke, ausbilden, die im Allgemeinen ungeordnet vorliegen. Durch Anlegen von externen Magnetfeldern können diese Domänen ausgerichtet werden. Für die spätere Anwendung in einem Bauelement sollte aber der Betrieb ohne externe Magnetfelder möglich sein. Erreicht wird dies durch Ausnutzung von Anisotropien. Gemeint ist damit, dass die Magnetisierung in einem Festkörper in bevorzugte Richtungen zeigt. Besonders wichtig ist die Formanisotropie, bei der sich die äußere Form des ferromagnetischen Objekts auf die Ausrichtung der Magnetisierung auswirkt.

Muster einer Eisen-Nickel-Schicht (Abb. 2)

Abbildung 1 zeigt das Signal eines Magnetkraft-Mikroskops von einer 150 Nanometer dünnen Ni₈₀Fe₂₀-(Permalloy) Schicht. Aufgrund der Einschränkung auf nahezu zwei Dimensionen und aufgrund einer zusätzlichen Anisotropie sind die Domänen nicht mehr völlig ungeordnet, sondern zeigen nur noch entweder nach oben (gelbe Bereiche) oder nach unten (orange Bereiche). Wird die Dimensionalität weiter reduziert, so reagiert die Magnetisierung durch die Form kontrolliert darauf.

Ein Beispiel zeigt Abbildung 2. In dem durch den Pfeil gekennzeichneten Bereich ist der Permalloystreifen 2.2 Mikrometer breit. Die Schichtdicke beträgt 260 Nanometer. Aufgrund der Form sind die Domänen aus Abbildung 1 nun in einem regelmäßigen Muster angeordnet. Den Grenzfall, nämlich die Reduktion auf eine nahezu punktförmige Struktur zeigt Abbildung 3. Die nur 12 Nanometer dicken Scheiben mit einem Durchmesser von 150 Nanometer aus Kobalt enthalten jeweils nur noch eine einzige Domäne. Das Bild zeigt das magnetische Signal, gemessen an einer periodischen Anordnung solcher Objekte. Aufgrund der runden, flachen Form liegt die Magnetisierung in der Ebene. Eine spezielle Richtung ist nicht ausgezeichnet, daher zeigen die hellen und dunklen Bereiche, die Nord- und Südpol darstellen, in alle möglichen Richtungen in der Ebene.

Punktförmige Magnetstrukturen (Abb. 3)

Im Hinblick auf spinelektronische Anwendungen sind solche eindomänigen Mikrostrukturen wünschenswert. Ein Beispiel für zwei Elektroden, wie sie in einem mesoskopischen Hybridbauelement, nämlich einem Spinventil, eingesetzt werden sollen, zeigt Abbildung 4. Es handelt sich um zwei unterschiedlich lange (4 Mikrometer und 8 Mikrometer) und gleich breite (0,6 Mikrometer) Permalloykontakte. Aufgrund der geringen Größe und der länglichen Form zeigt die Magnetisierung von beiden Elektroden in Abbildung 4(a) nach links. Interessant ist nun, dass man durch die unterschiedliche Länge mit Hilfe eines äußeren Feldes die Magnetisierung der beiden Kontakte gezielt antiparallel einstellen kann, wie dies Abbildung 4(b) zeigt.

Elektroden eines Spin-Ventils (Abb. 4)

Im nächsten Beispiel sind Elektroden gezeigt, die neben der Forderung der Homogenität der Magnetisierung in der Nähe des halbleitenden Kanals zwischen dem Quadrat und dem Rechteck auch bezüglich unerwünschter Streufelder optimiert sind. Abbildung 5(a) zeigt die berechnete Magnetisierung von zwei Kontakten mit einer Schichtdicke von 20 Nanometer und einer Geometrie von 0,5 Mikrometer mal 0,5 Mikrometer beziehungsweise 1,0 Mikrometer mal 0,5 Mikrometer. Ohne externes Magnetfeld zeigen beide Elektroden eine Magnetisierung, die den magnetischen Fluss ringförmig einfängt und so die Streufelder im Außenbereich stark reduziert. Abbildung 5(b) zeigt dieselbe Struktur bei einem Magnetfeld von 40 Millitesla, das in der Ebene entlang der langen Richtung der Struktur angelegt wird. Man erkennt, wie sich die Magnetisierung im Bereich des Kanals ändert aber dabei weitgehend homogen bleibt.

Magnetisierung (Abb. 5)

Das gezielte Einstellen der Magnetisierung in Ferromagneten ist für die Spinelektronik mit Halbleitern und Ferromagneten ein wichtiges Thema. Das gilt neben den herkömmlichen Übergangsmetall-Ferromagneten auch für neue Materialien, wie die eingangs erwähnten halbmetallischen Magnete und auch für die hochaktuellen ferromagnetischen Halbleiter.