Elektronisch gesteuerter Ferromagnetismus in zweidimensionalen Halbleitern

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Michael Martins
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 437096397

Das Projekt DIMAG widmet sich der Erforschung eines neuen Typs von 2D-Magnetstoffen, die nicht nur ein grundlegend neues ferromagnetisches Verhalten aufweisen, sondern auch optimale Eigenschaften für Spintronik-Anwendungen bieten. Dieses 36-monatige Projekt vereint 5 akademische Laboratorien: das Labor für Halbleiterphysik (KU Leuven, Belgien), das Institut für Kern- und Strahlenphysik (KU Leuven, Belgien), die Abteilung Physik der Universität Hamburg (Deutschland), des Laboratoire de Physique des Solides (CNRS, Frankreich) und das Laboratorium für Quantenoptik der Universität Nova Gorica (Slowenien). Jede Gruppe verfügt über hochspezialisiertes Fachwissen und fortgeschrittene experimentelle und theoretische Methoden auf dem neusten Stand Technik. Das übergeordnete Ziel von DIMAG ist es, einen Stoner-Ferromagnetismus in 2D-Halbleitern zu induzieren, die eine Van-Hove-Singularität in der Zustandsdichte (DOS) aufweisen, wie für GaSe, InSe und SnO vorhergesagt. Zunächst wird die Synthese hochwertiger 2D-Materialien mit einer kontrollierten Anzahl von Schichten durch Exfoliation von handelsüblichen Einkristallen als auch durch Wachstum mittels Molekularstrahlepitaxie entwickelt. Wir werden die Anzahl der Schichten optimieren, um die Zustandsdichte bei der Van Hove-Singularität als Kompromiss zwischen geringer Schichtzahl und hoher Schichtqualität zu maximieren. Parallel dazu werden wir die Kontrolle des Fermi-Niveaus in der Nähe der Van-Hove-Singularität (durch Akzeptordotierung und elektrisches Gating) entwickeln, die voraussichtlich zu einer Stoner-Instabilität führt und einen ferromagnetischen Zustand induziert. Wir werden diese Effekte unter Verwendung modernster Techniken im Detail untersuchen: Rastertunnelmikroskopie und -spektroskopie, um strukturelle, elektronische und magnetische Eigenschaften im atomaren Maßstab zu untersuchen; winkelaufgelöste Photoemissionsspektroskopie und inverse Photoemissionsspektroskopie (statisch und zeitaufgelöst) zur vollständigen Charakterisierung der elektronischen Struktur unterhalb und oberhalb des Fermi-Niveaus; Röntgenzirkulardichroismus (XMCD) und magnetooptischer Kerr-Effekt zur Ermittlung des intrinsischen Ursprungs des ferromagnetischen Verhaltens. Basierend auf diesem detaillierten Verständnis werden wir die Materialsynthese optimieren, um: (i) die Ordnungstemperatur und die Spinpolarisation zu maximieren; (ii) ein reversibles Umschalten zwischen ferromagnetischen und nicht ferromagnetischen Zuständen mittels elektrischer Spannungen zu ermöglichen.Das DIMAG-Projekt befasst sich direkt mit den wichtigsten Zielen des Flaggschiff-Arbeitsprogramms: Abteilung 1, Arbeitspakete 1 und 2. Zusätzlich zu seiner grundlegenden Natur ist das Projekt stark anwendungsorientiert, da es neue Funktionen liefern kann, die anwendungsnah sind (Betrieb bei Raumtemperatur und Spannungsregelung). Das Projekt DIMAG wird mit neuen 2D-Materialien ein weites Feld der Angewandten- und Grundlagenforschung eröffnen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Belgien, Frankreich, Slowenien
• Kooperationspartner: Professor Dr. Michel Houssa; Professor Giovanni De Ninno; Professor Lino M.C. Pereira; Professor Dr. Antonio Tejeda
• Mitverantwortlich: Dr. Ivan Baev