Nano-Waschbrett mit überraschenden Eigenschaften

Forscher des Paul-Drude-Instituts erzeugen viel versprechende Strukturen mit Manganarsenid

Erst sind es nur dunkle Flecken, die sich im Zeitraffer bewegen und verändern. Dann aber werden daraus langgestreckte Inseln, die sich zu Streifen verbinden. Am Ende blickt der Betrachter auf ein regelmäßiges Streifenmuster auf dem Computerbildschirm, dass sich wie von selbst gebildet hat. „Die hellen und dunklen Flächen entsprechen Bereichen mit unterschiedlichen strukturellen und magnetischen Eigenschaften“, erläutert Dr. Lutz Däweritz vom Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik (PDI). Das Material, in dem diese Muster entstehen, heißt Manganarsenid (MnAs) und wurde als dünne Schicht auf Galliumarsenid (GaAs) abgeschieden. Wissenschaftlich korrekt ausgedrückt: eine Hybridstruktur aus einem Halbleiter (GaAs) und einem ferromagnetischen Material (MnAs), in dem sich ferromagnetische und paramagnetische Streifen abwechseln.

Manganarsenid ist ein vielversprechendes Material für die Spin-Elektronik. Dabei geht es darum, die magnetischen Eigenschaften eines Elektrons (den „Spin“) als Informationsträger zu nutzen. Als „intelligentes Material“ ist es weiterhin für Anwendungen in der Sensorik interessant. Doch vor der Realisierung neuartiger Ideen und Bauelemente steht die Forschung an Grundlagen. Schließlich ist Manganarsenid in Form kristalliner Schichten hoher Perfektion ein recht junges Material, nur wenige Forschergruppen weltweit arbeiten damit.

Bei der systematischen materialwissenschaftlichen Forschung am PDI zur Eignung von bestimmten Materialien als Spininjektor spielte auch der Zufall eine gewisse Rolle, wie Dr. Däweritz schmunzelnd erzählt: Ein Doktorand hatte den Auftrag, Mangan in möglichst hoher Konzentration in Galliumarsenid einzubauen. Ziel dieser Arbeiten zu den so genannten verdünnten magnetischen Halbleitern war die Präparation von Schichten, die bei möglichst hohen Temperaturen (oberhalb Raumtemperatur) noch ferromagnetische Eigenschaften und gleichzeitig eine gute strukturelle Perfektion aufweisen. Der Doktorand wählte die Temperatur für die Mangan-Quelle viel zu hoch. „Als wir uns nachher an die Charakterisierung des Materials machten“, sagt Däweritz, „erkannten wir an den Beugungsdiagrammen rasch, dass Manganarsenid entstanden war.“ Der Forscher weiter: „Die strukturelle Perfektion veranlasste uns, weitere detaillierte Untersuchungen vorzunehmen.“ So ließ sich das MnAs durch exakte Kontrolle der Wachstumsbedingungen in unterschiedlichen Orientierungen abscheiden. Die elektronenmikroskopische Untersuchung zeigte die Ausbildung einer scharfen Grenzfläche, was für potenzielle Anwendungen wichtig ist, und ermöglichte die Aufklärung des Anpassungsmechanismus zwischen den höchst unterschiedlichen Kristallgittern von Galliumarsenid und Manganarsenid.

Als besonders interessant und bedeutungsvoll stellte sich das ungewöhnliche Verhalten von Manganarsenid-Schichten beim Abkühlen nach dem Wachstum heraus. Die Abscheidung der hauchdünnen Schichten auf dem Halbleitersubstrat mittels Molekularstrahlepitaxie durch gleichzeitiges Aufdampfen von Mangan und Arsen geschieht bei etwa 250 Grad Celsius. Dabei entsteht eine hexagonale Struktur. Kühlt man die Probe ab, gibt es bei 125 Grad einen ersten Phasenübergang, es entsteht eine orthorhombische Struktur. Von entscheidender Bedeutung ist jedoch der zweite Phasenübergang, der bei etwa 40 Grad zur Ausbildung einer wiederum hexagonalen Struktur führt. Bei diesem Phasenübergang wird die Schicht ferromagnetisch. Die Streifen sind die Folge einer diskontinuierlichen Ausdehnung des kristallinen Materials in einer bevorzugten Richtung während des Phasenübergangs. Die Koexistenz der orthorhombischen und der hexagonalen Phase über einen ausgedehnten Temperaturbereich führt zu einem energetisch günstigen Zustand. Wieso ausgerechnet eine Art Nano-Waschbrett aus Manganarsenid entsteht, mit Rippen aus ferromagnetische und Rillen aus paramagnetischem Material, konnte durch eine Vielzahl von Untersuchungen verstanden werden, ohne dass dies bis ins Letzte aufgeklärt ist. Aber es ist spannend genug, um das Interesse der Forscher wach zu halten. „Mit der Technik der Lithografie versucht man, Muster zu erzeugen“, erläutert Däweritz, “ und hier macht es die Natur selbst“. Mit überraschend perfekten Übergängen, fügt er hinzu.

Auch weitergehende Zielstellungen werden in Angriff genommen. PDI-Forscher untersuchen weitere Verbindungen und Legierungen, die auch bei Temperaturen oberhalb 40 Grad Celsius ferromagnetisch bleiben. Und schließlich werden die Streifen, die sich selbst organisieren, auch unter anderen Gesichtspunkten betrachtet. „Wir könnten uns Anwendungen vorstellen“ sagt Däweritz, „bei denen die Streifen stören, weil man eine homogene Schicht haben will“. Also untersuchen die Forscher am PDI auch, unter welchen Bedingungen nicht mehr die Streifenstruktur, sondern vielmehr die homogene Schicht stabil ist.

Weitere Informationen: Dr. Lutz Däweritz, Tel.: 030-20377-359, Mail: daweritz@pdi-berlin.de