ISBN 978-3-8439-3606-4

978-3-8439-3606-4, Reihe Physik

Juliane Laurer
Spininjektion in Silizium: Von der epitaktischen Si/MgO-Tunnelstruktur zur Erzeugung und Detektion einer Spinakkumulation

237 Seiten, Dissertation Universität Regensburg (2018), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Im Zuge der Weiterentwicklung der Informationstechnik rücken zunehmend alternative Konzepte zur Verarbeitung und Speicherung von Daten in den Mittelpunkt. Eine solche neuartige Technologie ist die Spintronik, das heißt die Nutzung von Spins als Informationsträger.

Diese Arbeit befasst sich mit grundsätzlichen Experimenten zur elektrischen Erzeugung und Detektion einer Spinakkumulation im Halbleiter Silizium. In der Arbeit werden drei Hauptschwerpunkte gesetzt:

Zunächst werden durch die Methode der Molekularstrahlepitaxie hochkristalline Schichtsysteme aus n-dotiertem Silizium, einer MgO-Tunnelbarriere und Eisen als Spinreservoir hergestellt. Die ausführliche strukturelle und magnetische Charakterisierung dieser ferromagnetischen Tunnelstrukturen zeigt, dass das gesamte Schichtsystem epitaktisch ist.

Im zweiten Teil werden Drei-Terminalexperimente an Si/MgO-basierten Tunnelstrukturen durchgeführt. Die Gegenüberstellung der Resultate ferromagnetischer und nichtmagnetischer Proben enthüllt zahlreiche parasitär auftretende Magnetowiderstandseffekte, deren Auftreten in hohem Maße vom Tunnelprozess der Elektronen durch die Si/MgO-Schicht abhängt. Insbesondere kristallisiert sich ein starker Einfluss der MgO-Grenzflächen sowie möglicher Defektzustände im Bereich der Tunnelbarriere heraus.

Abschließend zeigen nichtlokale Spinventilexperimente an Si/MgO/Fe-Proben die erfolgreiche Spininjektion und Spindetektion in Silizium. Die ausgeprägte Abhängigkeit der Spinsignalhöhe von der Injektionsstromstärke weist darauf hin, dass spinabhängige Tunnelprozesse durch die MgO-Barriere die Spininjektionseffizienz und damit sowohl die Höhe des Spinsignals als auch die Richtung der erzeugten Spinakkumulation entscheidend beeinflussen.

Insgesamt zeigt die vorliegende Arbeit einen weit stärkeren Einfluss der mikroskopischen Tunnelprozesse der Elektronen bei siliziumbasierten Spininjektionsexperimenten als bisher angenommen wurde.