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B6: Spinabhängiges Tunneln in oxidischen Heterostrukturen

Es sollen vollständig oxidische, planare Tunnelmagnetowiderstands (TMR)-Strukturen bestehend aus ferromagnetischen Halbleitern und oxidischen Barrieren experimentell und theoretisch untersucht werden. Dabei steht der Einfluss der Materialpaarungen und insbesondere der Grenzflächen auf die magnetischen und Magnetotransporteigenschaften im Mittelpunkt des Interesses. Zunächst werden Strukturen vom Typ ZnO:TM/MgZnO/ZnO:TM (TM: Übergangsmetall, Co, Mn) herangezogen. Motiviert durch eigene theoretische Vorhersagen soll die ferromagnetische Kopplung in ZrO₂:TM und HfO₂:TM bei über 300 K experimentell nachgewiesen werden.

Bei der in B6 geplanten experimentellen und theoretischen Untersuchung von oxischen planaren TMR-Strukturen soll zunächst ZnO dotiert mit verschiedenen Übergangsmetallen (TM) wie Co oder Mn als Material im Vordergrund stehen. In Voruntersuchungen wurde ferromagnetisches ZnO: (Mn, Co) gezeigt, ohne dass bisher Indizien für Fremdphasen gefunden werden konnten. Durch kürzliche Fortschritte bei der Homoepitaxie von ZnO (auf ZnO) wird ganz aktuell eine bis dato nicht erreichte Material- und Grenzflächenqualität von Epischichten erreicht, die systematisch für den Aufbau von verbesserten TMR-Strukturen des Typs ZnO:TM/Oxidbarriere/ ZnO:TM verwendet werden soll. Als neuartige Materialien sollen neben ZnO:TM Übergangsmetall-dotiertes ZrO₂ und HfO₂ experimentell untersucht und in TMR-Strukturen realisiert werden. In eigenen theoretischen Vorarbeiten wurde gefunden, dass ZrO₂:TM und HfO₂:TM ferromagnetische Kopplung mit einer Curietemperatur oberhalb 300 K aufweisen sollten; dazu ist hier der experimentelle Nachweis zu erbringen. Hierbei soll ebenfalls der Ansatz der Homoepitaxie, nun auf Substraten aus Y-stabilisiertem ZrO₂ (YSZ) verfolgt werden. Die experimentellen Strukturen sollen auf Grundlage von ab initio Rechnungen basierend auf der Dichtefunktionaltheorie unter Berücksichtigung von Korrelationskorrekturen parameterfrei beschrieben werden. Die theoretische Berechnung des Tunnelmagnetowiderstandes beinhaltet ausgehend von Arbeiten zu den Volumeneigenschaften die Berechnung der beteiligten Materialien als Dünnschicht, die Berechnung des Spin-Flip-Streuquerschnittes, der Leitwerte bei kohärentem Transport auf Grundlage der Landauer-Theorie und schließlich die Strom-Spannungskennlinie mittels Keldysh-Nichtgleichgewichts-Greenfunktionen.