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Schwerpunktprogramm SPP 1285
Halbleiter Spintronik
Spintronik > Stand der Forschung > Spinerzeugung

Erzeugung spinpolarisierter Ladungsträger

Die Erzeugung spinpolarisierter Ladungsträger ist im Allgemeinen gleichbedeutend mit der Erzeugung einer Nichtgleichgewichts-Spinbesetzung, wobei zu beachten ist, dass der Spin aufgrund der Spin-Bahn- und der Hyperfeinwechselwirkung im Gegensatz zur Ladung keine Erhaltungsgröße ist. Spinpolarisierte Ladungsträger können auf verschiedene Arten erzeugt werden. Die einfachste Methode nutzt die optischen Auswahlregeln in Halbleitern, wobei zirkular polarisiertes Licht aufgrund der Spin-Bahn-Wechselwirkung einen spinselektiven Elektronenübergang vom Valenzband zum Leitungsband bewirkt [2-8]. Nach den gleichen Auswahlregeln können auch verschränkte Elektron-Loch-Paare beispielsweise mit linear polarisiertem Licht erzeugt werden [9]. Beide Verfahren sind in der Grundlagenforschung seit langem etabliert. Für zukünftige spintronische Bauelemente ist die optische Spininjektion im Gegensatz zur elektrischen Spininjektion jedoch in der Regel ungeeignet.

Elektrische Spininjektion kann auf verschiedene Art und Weise erreicht werden. Sehr erfolgreich sind ferromagnetische Metallkontakte, bei denen kürzlich Spininjektion mit einem Polarisationsgrad von über 30 % bei Raumtemperatur nachgewiesen wurde [10].1 Diese Spininjektoren sind sehr viel versprechend für eine große Anzahl von Experimenten und Bauelementen, haben jedoch zwei Nachteile. Erstens, kann aufgrund der großen Leitfähigkeitsunterschiede zwischen Metall und Halbleiter nur dann ein hoher Spininjektionsgrad im Halbleiter erreicht werden, wenn Halbleiter und Metall durch einen hochohmigen Tunnelkontakt voneinander getrennt sind oder wenn der Spinpolarisationsgrad im Spininjektor nahezu 100 % beträgt [11-15]. Das Letztere ist schwierig zu erreichen, da magnetische Volumeneigenschaften in der Regel deutlich von den magnetischen Grenzfächeneigenschaften abweichen. Der zweite Nachteil von metallischen Spininjektoren besteht darin, dass der Abstand vom Spininjektor zu dem für die Funktionalität verantwortlichen Bereich so groß werden kann, dass die Spinrelaxation während des Transports die Spinorientierung zerstört. Prinzipiell sind daher halbleitende Spininjektoren metallischen Spininjektoren überlegen, da bei halbleitenden Spininjektoren die Probleme der Leitfähigkeitsunterschiede und langer Transportstrecken nicht existieren.

Halbleitende Spininjektoren besitzen den zusätzlichen Vorteil, dass der Ferromagnetismus in Halbleitern über die Ladungsträgerdichte variabel einstellbar ist [16, 17]. Frühe Untersuchungen zu ferromagnetischen Halbleitern zur Spininjektion konzentrierten sich auf Cr- und Eu-basierte chalcogenide Halbleiter [18]. Aktuelle Untersuchungen lassen sich in drei verschiedene Ansätze unterteilen. Der erste Ansatz benutzt sehr erfolgreich paramagnetische (II,Mn)VI-Halbleiter und externe magnetische Felder zur Spininjektion [19-21]. Die mit diesem Ansatz experimentell erreichten Polarisationsgrade liegen bei nahezu 100 %, und die verwendeten magnetischen Halbleiter können gitterangepasst auf nichtmagnetische Halbleiter aufgewachsen werden. Allerdings sind die genutzten magnetischen Effekte (Riesige Zeemanaufspaltung) nur bei tiefen Temperaturen ausreichend stark, und die notwendigen externen Magnetfelder limitieren ihre Anwendung in Bauelementen zusätzlich. Der zweite Ansatz zur Spininjektion mit Halbleitern basiert auf ferromagnetischen Halbleitern wie beispielsweise (Ga,Mn)As. Mit diesen Materialien wird Spininjektion ohne ein externes Magnetfeld erzielt, wobei theoretische Modelle und erste Experimente hohe Curietemperaturen vorhersagen, so dass eine Anwendung bei Raumtemperatur möglich erscheint [22-26]. Allerdings sind die meisten (III,Mn)V-Halbleiter momentan noch p{leitend [30]. Die p-Leitung ist problematisch, da freie Löcher ihre Spinorientierung beim Transport aufgrund der Spin-Bahn-Aufspaltung extrem schnell verlieren. Ein Forschungsschwerpunkt des beantragten Schwerpunktes ist daher die Entwicklung n-leitender, ferromagnetischer Halbleiter [31] beziehungsweise von Methoden, spinpolarisierte Löcher effizient in spinpolarisierte Elektronen umzuwandeln. Der dritte Ansatz zur Spininjektion basiert auf magnetischen Mikroclustern, die in eine halbleitende Matrix eingebaut sind. Erste Experimente mit MnAs-Clustern zeigen bereits Ferromagnetismus bei Raumtemperatur in einer n-leitenden GaAs-Matrix [32, 33]. Bisher wurde jedoch noch nicht nachgewiesen, ob ein Strom durch die Mikrocluster spinpolarisierte Elektronen im Halbleiter erzeugt.

Wichtige Termine:


15. Sept. 2013:
Deadline für den Sonderband Semiconductor Spintronics (DFG-Abschlussbericht) in physica status solidi b
(nähere Informationen wurden per Email zugeschickt)


30. Sept. - 2. Okt. 2013:
Abschlusstreffen des Schwerpunktprogramms "International workshop on semiconductor spintronics" in der Residenz Würzburg
(nähere Informationen)

Aktuelle Veröffentlichung(en):

C. Drexler, S.A. Tarasenko, P. Olbrich, J. Karch, M. Hirmer, F. Müller, M. Gmitra, J. Fabian, R. Yakimova, S. Lara-Avila, S. Kubatkin, M. Wang, R. Vajtai, P. M. Ajayan, J. Kono, and S.D. Ganichev :  "Magnetic quantum ratchet effect in graphene" Nature Nanotechnology 8, 104 (2013)

J.H. Buß, J. Rudolph, S. Shvarkov, H. Hardtdegen, A.D. Wieck, and D. Hägele:  "Long electron spin coherence in ion‐implanted GaN: The role of localization" Appl. Phys. Lett. 102, 192102 (2013)

D.J. English, J. Hübner, P.S. Eldridge, D. Taylor, M. Henini, R.T. Harley, and M. Oestreich:  "Effect of symmetry reduction on the spin dynamics of (001)-oriented GaAs quantum wells" Phys. Rev. B 87, 075304 (2013)

V.L. Korenev, I.A. Akimov, S.V. Zaitsev, V.F. Sapega, L. Langer, D.R. Yakovlev, Yu. A. Danilov, and M. Bayer:  "Dynamic spin polarization by orientation-dependent separation in a ferromagnet–semiconductor hybrid" Nature Communications 3, 959 (2012)

M. Althammer, E.-M. Karrer-Müller, S.T.B. Goennenwein, M. Opel, R. Gross:  "Spin transport and spin dephasing in zinc oxide" Appl. Phys. Lett. 101, 082404 (2012)