Spintronik ist ein neues Konzept, das zum einen eine höhere Geschwindigkeit bei der Informationsverarbeitung erlaubt und zum zweiten Besserung bei der Wärmeentwicklung verspricht. Das Konzept beruht darauf, die magnetischen Momente, also den Spin, und nicht wie in der herkömmlichen Halbleiterelektronik die Ladung der Elektronen zu nutzen. Dafür eignen sich sowohl ferromagnetische wie antiferromagnetische Materialien, Voraussetzung ist allerdings eine möglichst hohe Magnetisierung, weil es andernfalls (noch) nicht möglich ist, die elektronischen Zustände effizient zu beeinflussen. Vielversprechend sind dafür dünne magnetische Oxid-Schichten, die wie in der Halbleiterelektronik durch Fremdatome, die spinpolarisierte Ströme erzeugen können, dotiert werden. Das magnetische Moment ist dennoch sehr niedrig, typischerweise entspricht es nur Bruchteilen eines Bohr-Magnetons pro Dotierungsatom.
Kürzlich hat ein Team von australischen, deutschen, amerikanischen und chinesischen Wissenschaftlern ein neues Material, bestehend aus dünnen TiO2-Filmen und implantierten Kobaltatomen, mit Hilfe von Neutronen gemessen. Ziel war, die Verteilung der Kobaltatome und damit die Magnetisierung in diesem Material mit dem Instrument NREX genau zu messen. NREX ist ein hochauflösendes Neutronen- und Röntgenkontrastreflektometer und benutzt einen polarisierten Neutronenstrahl. Damit können die strukturellen und magnetischen Eigenschaften von Oberflächen, Grenzschichten und eben auch dünnen Filmen bestimmt werden. Das Team hat außerdem das Instrument PLATYPUS eingesetzt, das die australische Quelle ANSTO betreibt.
Die Wissenschaftler impften die amorphen Titanoxidschickten mit Kobalt-Ionenstrahlen und erzeugten damit Kobaltcluster, also eine ungleichmäßige Verteilung dieser Metallatome in der Titanoxid-Trägerschicht. Überraschend fanden sie in den Kobaltclustern einen deutlich höheren Grad an Magnetisierung, nämlich bis zu 2,5 μB / Co. Röntgen-Photoemissionsspektren zeigten vor allem den Co0-Zustand mit einem kleineren Anteil an Co2+. Damit liegt diese Magnetisierung in der Nähe der oberen Grenze, was sehr ungewöhnlich ist, weil das magnetische Moment des Übergangsmetalls in einer symmetrischen 3D-Kristallfeldumgebung gewöhnlich reduziert wird. Offenbar fördert die Affinität der positiv geladenen Spezies die Selbstanordnung in diesen Clustern, indem sie in dieser Umgebung als Keim für die anschließende Bildung der Nanocluster dient.
Mit diesen Ergebnissen können nun die Prozessparameter für die Ionenimplantation von magnetischen Materialien in einer nichtmagnetischen Matrix optimiert und so hohe lokale Magnetisierungen erzeugt werden. Das bringt die Spintronik einen großen Schritt weiter, denn damit wird die Informationsspeicherung und -verarbeitung viel effektiver. Spins als Informationsspeicher benötigen weniger Strom beim Verarbeiten von Information, es entsteht auch weniger Wärme.
Originalpublikation:
David L. Cortie, Yury Khaydukov, Thomas Keller et al., Enhanced Magnetization of Cobalt Defect Clusters Embedded in TiO2-δ Films; ACS Appl. Mater. Interfaces 9 (10), 8783 (2017).