Doktorarbeit_Mairoser.pdf - OPUS - Universität Augsburg

1. Einleitung
lässt sich die komplette Anlage in all ihren Funktionen ansteuern. Gemeinsam mit
den Kooperationspartnern vom Lehrstuhl für Experimentalphysik VI, der TU München
und vom Helmholtz-Zentrum Geesthacht 2 wurde das Sputtersystem erfolgreich
an der Beamline REFSANS in Betrieb genommen und Reflektometrie-Messungen an
gesputterten Proben durchgeführt. Anhand des Wachstums von Ni/Cr-Multilagen,
die in situ aufgewachsen und mittels Reflektometrie charakterisiert wurden, konnte
die prinzipielle Funktion der in situ Neutronen-Reflektometrie demonstriert werden.
Da aber auch noch Verbesserungsmöglichkeiten aufgezeigt werden konnten, wurde das
System in einem zweiten Schritt noch stark in seiner Funktionalität erweitert. Somit
steht ein weltweit einmaliges System zur Grundlagenforschung im Bereich dünner magnetischer
Schichten zur Verfügung. Als erste Fragestellung der aktuellen Forschung
wurde die magnetische Ordnung dünner Eisenfilme untersucht.
Neben der Arbeit auf technologischer Seite zur Forschung an magnetischen Materialien
wurde von mir im Rahmen meiner Doktorarbeit auch auf dem Gebiet des ferromagnetischen
Halbleiters EuO (Bandlücke 1,12 eV [8]) gearbeitet. EuO ist ein Lehrbuchbeispiel
eines Heisenberg-Ferromagneten [9, 10], dessen Curie-Temperatur (T C )
69 K beträgt [11]. Herausragende Materialeigenschaften von EuO sind ausgeprägte
magnetooptische Effekte (Kerr-Effekt [12] und Faraday-Rotation [13]), ein Metall-
Isolator-Übergang mit Widerstandsänderungen von mehr als 13 Größenordnungen
[14,15] sowie ein in Bezug auf die Widerstandsänderung mit den besten Manganaten
vergleichbarer kolossaler Magnetowiderstand [16–18]. Weiterhin ist EuO ein Halbmetall
aufgrund der Zeeman-Aufspaltung des Leitungsbandes von 0,6 eV [19]. Mittels
Andreev-Reflexion wurde eine Spinpolarisation von über 90 % gemessen [20, 21].
Neben diesen Eigenschaften macht auch der Umstand, dass EuO epitaktisch auf den
technologisch relevanten Halbleitern Si, GaN [20] und GaAs [22] integriert werden
kann, zu einem interessanten Material für die Ohm’sche Spininjektion in Halbleiter.
Diese ist die erste Voraussetzung zur Realisierung eines Spin-Transistors, wie er beispielsweise
von Datta und Das vorgeschlagen wurde [23].
Zur Spininjektion in Halbleiter sind Materialien nötig, die selbst eine möglichst hohe
Spinpolarisation aufweisen sowie einen sehr ähnlichen spezifischen Widerstand besitzen
wie das Zielmaterial. Ein einfaches Modell von Schmidt et al. [24] zeigt, dass bei
der Verwendung eines ferromagnetischen Metalls als Injektor nur ein verschwindend
kleiner Anteil der ursprünglich vorhandenen Spinpolarisation den Halbleiter erreicht.
In EuO ist eine hohe Spinpolarisation durch die Halbmetallizität gegeben. Ein grundlegendes
Hindernis zur kommerziellen Nutzung von EuO stellt dessen geringe Curie-
Temperatur (T C ) dar. Ein Ansatz zur Lösung dieses Problems bietet die elektronische
Dotierung mit Sauerstofffehlstellen [13–16, 25–53] oder mit dreiwertigen Ionen
[20, 21, 25, 28, 43, 46, 54–71]. Neben der Anpassung des spezifischen Widerstands auf
die Bedürfnisse der Spininjektion lässt sich somit auch eine Erhöhung der Curie-Temperatur
erreichen. T C konnte bisher auf maximal 200 K gesteigert werden [56].
2 Das Helmholtz-Zentrum Geesthacht betreibt die Beamline REFSANS, an dem das Sputtersystem
für Neutronen-Reflektometrie-Messungen betrieben wird.
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