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Spintronik auf Silizium

11.10.2013

Spintronische Geräte können als nichtflüchtige Geräte im atomaren Maßstab vielversprechend sein, indem sie Informationen in Bezug auf den Elektronenspin (entweder „oben“ oder „unten“) und nicht in Form von Ladung codieren. Dies macht es möglicherweise möglich, eine Schaltung mit extrem niedrigem Energieverbrauch zu schaffen, die sich an ihren Zustand erinnert, selbst wenn sie ausgeschaltet ist.

Leider wurde die Kompatibilität der meisten dieser sogenannten verdünnten magnetischen Halbleiter mit Silizium noch nicht berichtet. Nun haben Wissenschaftler der North Carolina State University (NCSU) neue verdünnte magnetische Halbleiter entdeckt, die bei Raumtemperatur mit Silizium kompatibel sind. Strontiumstannat-Halbleiter wurden erfolgreich auf einem Siliziumsubstrat über einer dünnen Zirkonium-Grenzschicht abgeschieden.

„Verdünnte magnetische Halbleiter sind sehr vielversprechend für spintronische Geräte, die Informationen im magnetischen Spin eines Elektrons speichern", sagte Professor Jay Narayan von der North Carolina State University. „Andere Materialien wie Zinkoxid sind ebenfalls verdünnte magnetische Halbleiter, aber sie sind es nicht leicht. Aufgrund der Tatsache, dass die kubische Symmetrie und die Gitterkonstante von Strontiumstannat denen von Silizium nahe kommen, lässt es sich jedoch leicht in Siliziumsubstrate integrieren.“

Andere Forschungsgruppen haben ebenfalls mit verdünnten magnetischen Halbleitern experimentiert, aber viele von ihnen haben Materialien der Gruppen III-V wie Indiumarsenid oder Galliumarsenid verwendet. Andere haben berichtet, dass Germanium-Quantenpunkte mit Silizium kompatibel sein könnten, aber nicht bei Raumtemperatur. Jetzt berichtet das Labor der North Carolina State University über die Kompatibilität mit Silizium bei Raumtemperatur.

Ironischerweise suchten die Forscher zusammen mit Justin Schwartz, Professor an der NC State University, nach einem Material, das für die Spintronik nicht mit Silizium kompatibel ist, sondern nach einem topologischen Isolator – einem Halbleiter, der die Eigenschaften eines Dielektrikums hat, aber mit einer leitfähigen Oberflächenschicht. Nach der Untersuchung von Strontiumstannat fanden Wissenschaftler jedoch heraus, dass es auch ein verdünnter magnetischer Halbleiter ist.

„Strontiumstannat wurde theoretisch als topologischer Isolator vorhergesagt, und experimentell haben wir bestimmte Eigenschaften eines topologischen Isolators in dünnen Filmen aus Strontiumstannat gefunden“, sagte Narayan in einer Sauerstoffumgebung.

Als nächstes planen die Wissenschaftler, mit der Bildung von Spintronik-Transistoren in diesem Material zu beginnen, um die Idee zu bestätigen, Strontiumstannat als vielversprechende neue Richtung bei Siliziumhalbleitern zu verwenden.

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