[23.03.2005] Mit 1,34 Millionen Euro fördert die Europäische Gemeinschaft in den kommenden vier Jahren ein Forschungsprojekt an der Uni Duisburg-Essen zur Entwicklung neuartiger magnetischer Materialien. Es geht dabei um zukünftige Anwendungen im Bereich der 'Spintronic' auf der Basis oxidischer und halbleitender Materialien.

Eingeworben wurde dieser "Marie Curie Excellence Grant" von Dr. Andreas Ney, Stanford University (USA), unterstützt von Prof. Dr. Michael Farle, Fachbereich Physik. Die Arbeiten wurden jetzt am Duisburger Uni-Campus aufgenommen. Ausschlaggebend für die erfolgreiche Einwerbung dieses EU-Exzellenz-Projektes – nur fünf wurden europaweit in Physik und Chemie bewilligt – und die Entscheidung von Dr. Ney nach Duisburg zu kommen, waren die hervorragenden Studien- und Forschungsmöglichkeiten im Bereich der Nanowissenschaften an der Uni DuE.

Dass die mikroelektronischen Bauelemente und Schaltungen immer leistungsfähiger werden, geht vor allem auf die fortschreitende Miniaturisierung der Bauelemente zurück, die mit immer ausgefeilteren Methoden erzielt wird. Doch bald wird damit Schluss sein, denn man stößt an natürliche physikalische Grenzen. Unterhalb einer kritischen Bauteilgröße können beispielsweise Transistoren oder Speicherzellen nicht mehr nach den üblichen Prinzipien funktionieren. Will man also auch künftig zunehmend effiziente und verkleinerte Bauelemente haben, müssen neue oder veränderte Funktionsprinzipien gefunden werden. Dabei sollten aber nach Möglichkeit die gut etablierten, zwar nicht ganz billigen, aber bewährten technologischen Herstellungsverfahren beibehalten werden.

Das neue Forschungsprojekt an der Uni Duisburg-Essen verfolgt einen alternativen und viel versprechenden Ansatz, mit dem der Fortbestand dieser Technologie prinzipiell gesichert werden kann. Prof. Farle: „Man will zukünftig nicht nur wie bisher die Ladung von Elektronen benutzen, sondern auch deren Drehrichtung („Spin“) zur Informationsverarbeitung verwenden, die sogenannte ‚Spintronic’. Erste erfolgreiche Resultate lassen auf viele interessante Anwendungen in der Zukunft hoffen.“ Dieses Forschungsgebiet ist auch deshalb sehr attraktiv, so Farle, weil nach allen Voraussagen Bauteile hier umso effizienter funktionieren, je kleiner sie sind.

Die Projektmitarbeiter unter Führung von Dr. Ney haben jetzt die Aufgabe, neue Materialien herzustellen, die durch gezielten Fremdatomeinbau („Dotierung“) an definierten Stellen maßgeschneiderte physikalische Eigenschaften bekommen, zum Beispiel elektrische Leitfähigkeit.

So lassen sich Proben herstellen, die mit einer ferromagnetischen Elektrode am gewünschten Ort elektrisch leitend und magnetisch aktiv gemacht werden oder auch umgekehrt zu schlechteren Leitern werden durch eine ferromagnetische “Tunnel-Barriere”. Diese wird benötigt, wenn Elektronen beim Stromtransport durch die Probe einen sehr schmalen, elektrisch fast isolierenden und gleichzeitig ferromagnetischen Bereich durchqueren müssen.

Bisher musste dies mit hohem Aufwand durch Übereinander-Schichtung verschiedener Materialien hergestellt werden. Der Vorteil einer Dotierung ist, dass man nur ein Material benötigt, das lediglich an bestimmten Stellen durch Dotierung in seinen physikalischen Eigenschaften modifiziert wird.

Zusätzlich sollen magnetisch dotierte Oxide und Halbleiter hergestellt werden, indem nahezu gleich große ferromagnetische Nanopartikel in diese Materialien eingebaut werden. Die Größe ferromagnetischer Nanopartikel und deren Verteilung innerhalb der Probe können sehr viel definierter kontrolliert werden, als dies bei sich unkontrolliert bildenden magnetischen Clustern in hochdotierten Halbleitern der Fall ist. Mit solchen “granularen” magnetischen Halbleitern lassen sich deshalb Wechselwirkungen magnetischer Komponenten untereinander in einer halbleitenden Matrix unter sehr definierten Bedingungen untersuchen.

Mit beiden Typen nanostrukturierter ferromagnetischer Materialien können dann auf der Basis der Verwendung eines einzigen Materials auch sog. "Spin-Ventil"-Strukturen hergestellt werden, die aus einer Abfolge gut leitfähiger ferromagnetischer Bereiche und dazwischen liegender, schlecht leitfähiger und dabei nicht-magnetischer Bereiche bestehen. Man nennt diese Strukturen “Spin-Ventil” weil durch parallele oder antiparallele Ausrichtung der Magnetisierung benachbarter ferromagnetischer Bereiche, durch Anlegen eines externen Magnetfeldes, der elektrische Widerstand dieser Bauelemente variiert werden kann.

Zum Abschluss des Projektes sollen Prototypen dieser “Spintronic”-Bauelemente hergestellt und getestet werden. Es wird erwartet, dass sie eine deutlich verbesserte Funktionalität gegenüber der herkömmlichen Transistor-Logik haben.

Redaktion: Beate H. Kostka, Tel. 0203/379-2430