Spin-dependent transport and magnetism in spin filter/silicon heterostructures
Final Report Abstract
Funktionale Oxide besitzen grosses Potential für die zukünftige Informations- und Nanotechnologie. Insbesondere die epitaktische Integration von Oxiden auf Silizium bietet spannende Möglichkeiten für die Nutzung neuartige Funktionalitäten. Magnetische Oxide können beispielsweise zur Realisierung effizienter Spininjektions- und -detektionskontakte eingesetzt werden, um den Elektronenspin als weiteren Freiheitsgrad in die derzeitige Siliziumtechnologie zu integrieren. In den letzten Jahren wurde ein Vielzahl von Materialkombinationen als mögliche Spinkontakte untersucht, und als wichtigste Eigenschaften (i) ein gute Leitfähigkeitsanpassung mit dem Halbleiter und (ii) eine hohe Spinpolarisation der ”Spin-Quelle” identifiziert. Die fundamentale Idee dieses DFG-Projektes lag in der Kombination beider Eigenschaften in einem Materialsystem, den magnetischen Oxiden. Unterhalb der Curie-Temperatur spaltet das Leitungsband eines magnetische Oxids aufgrund der magnetischen Austauschwechselwirkung in zwei spinabhängige Leitungsbänder auf. Somit fungiert ein ultradünnes magnetisches Oxid als spinabhängige Tunnelbarriere, für die experimentelle Spinpolarisationen von bis zu 90% gezeigt wurden. Trotz dieser vielversprechenden Voraussetzung fehlte bisher eine fundamentale Studie zur Integration magnetischer Oxide/Isolatoren mit Silizium. Im Rahmen des Projektes wurde der magnetische Isolator EuS erfolgreich als spinabhängige Tunnelbarriere als ”Spin Filter” auf Silizium integriert und eine Spinpolarisation von 20% experimentell nachgewiesen. Die Entwicklung einer präzisen Oxid-MBE Präparationsmethode sowie die Durchführung von tiefenabhängigen Hochenergie-Photoemissionexperimente ermöglichte die erfolgreiche Herstellung hochqualitiativer und einkristalliner EuO Schichten. In einer übergreifenden Studie wurden das Wachstum, die struktuellen, magnetischen und chemischen Eigenschaften von EuO auf oxidischen Substraten studiert, und die Kenntnisse im Folgenden auf Silizium als potentielles Elektrodenmaterial übertragen. Als wichtigen Schritt konnte einkristallines Wachstum von ultradünnen EuO-Filmen auf MgO nachgewiesen werden, dass als Symmetriefilter für spinabhängiges Tunneln dient. Die Kombination aus EuO mit Silizium als Elektrodenmaterial stellt jedoch ein ungleich komplexeres Heterosystem dar: Trotz einer theoretisch vorhergesagter thermodynamischer Stabiltät, gilt es, die EuO Wachstumskinetik aufs Genaueste zu kontrollieren. Mittels tiefensensitiver Hartröntgen-Photoemissionsexperimente gelang es, ein genaues Bild der Wachstumskinetik zu erhalten und so eine systematische chemische und magnetische Stabilisierung der EuO/Si Transportgrenzfläche vorzunehmen. Die Ergebnisse des Projektes liefern ein umfassendes Bild der Struktur, elektronischen und magnetischen Eigenschaften von magnetischen Oxidhybriden und definieren die Grundlage für den Erfolg zukünftiger spinelektronischer Transportexperimente.
Publications
- Chemical stability the magnetic oxide EuO directly on silicon observed by high-energy photoemission spectroscopy. Physical Review B 84, 205217 (2011)
C. Caspers, M. Müller, A. X. Gray, A. M. Kaiser, A. Gloskovskii, W. Drube, C. S. Fadley, and C. M. Schneider
- Controlling magnetic properties of EuS-based Spin Valve Structures on Si(001). IEEE Trans. Mag. 47, 1635 (2011)
M. Müller, R. Schreiber, and C. M. Schneider
- Electronic structure of EuO spin filter tunnel contacts directly on silicon. Phys. Status Solidi Rapid Research Letters 5, Vol. 12, 441 (2011)
C. Caspers, M. Müller, A. X. Gray, A. M. Kaiser, A. Gloskovskii, W. Drube, C. S. Fadley, and C. M. Schneider
- Observation of Spin Filtering in Magnetic Insulator Contacts to Silicon. Applied Physics Letters 98, 142503 (2011)
M. Müller, M. Luysberg, and C. M. Schneider
- Heteroepitaxy and ferromagnetism of EuO/MgO (001): A route towards combined spin- and symmetry-filter tunneling. Physical Review B, 88, 245302 (2013)
C. Caspers, A. Gloskovskii, W. Drube, C. M. Schneider, and M. Müller
(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevB.88.245302) - Ultrathin magnetic oxide EuO films on Si(001) using SiOx passivation – controlled by hard x-ray photoemission spectroscopy. Journal of Applied Physics 113, 17C505 (2013)
C. Caspers, M. Gorgoi, A. Gloskovskii, W. Drube, C. M. Schneider, and M. Müller
- ”Conductive” yttria-stabilized zirconia as an epitaxial template for oxide heterostructures. Journal of Applied Physics, 115, 17C111 (2014)
C. Caspers, A. Gloskovskii, W. Drube, C. M. Schneider, and M. Müller
(See online at https://doi.org/10.1063/1.4863803)
