Realisierung großer Tunnelmagnetowiderstände bei Raumtemperatur in skalierbaren epitaktischen Van-der-Waals-Magnet-Heterostrukturen

• Antragsteller: Dr. Joao Marcelo Jordao Lopes
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 533948427

Das Aufkommen 2D Materialien und ihrer Van-der-Waals- (vdW) Heterostrukturen hat neues wissenschaftliches Interesse geweckt, da sie beispiellose Eigenschaften für zukünftige Technologien bieten. 2D-Magnete haben das Potenzial, magnetische Sensoren und spintronische Technologien zu revolutionieren, insbesondere Tunnelmagnetowiderstands- (TMR) Bauelemente. Zuverlässige und abstimmbare TMR-Bauelemente stellen jedoch bei konventionellen Materialien eine große Herausforderung dar. In jüngster Zeit wurden mit 2D-Magneten große TMR-Werte erreicht, doch die meisten Studien beschränken sich auf kryogene Temperaturen und auf exfolierte „Flakes“. Das Wachstum von 2D-Magneten und die Herstellung von magnetischen Tunnelübergängen (MTJs) mit mehreren, durch eine Tunnelbarriere getrennten Schichten stellen nach wie vor eine große Herausforderung dar, und der Einfluss von kohärentem, spinpolarisiertem Elektronentunneln über vdW-Tunnelbarrieren auf TMR-Effekte ist ebenfalls noch unerforscht. Das Projektzielt darauf ab, diese Herausforderungen zu bewältigen, indem das spinpolarisierte Tunneln in 2D-MTJs durch die Steuerung des Verdrehungswinkels und der Gate-Spannung kontrolliert wird, um so eine große und abstimmbare TMR bei Raumtemperatur zu erreichen. Es werden skalierbare Wachstumsprozesse für magnetische vdW-Heterostrukturen mit hoher Curie-Temperatur (Tc) und senkrechter magnetischer Anisotropie (PMA) entwickelt. Im Rahmen des Projekts wird die Tunnelspinpolarisation in MTJs maximiert, indem das impulserhaltende Tunneln von Elektronen über vdW-Barrieren ausgenutzt wird. Der robuste Betrieb von TMR-Bauelementen bei Raumtemperatur mit TMR-Verhältnissen von über 100 % wird unter Verwendung epitaktischer, magnetischer vdW-Heterostrukturen demonstriert. Wir haben die folgenden Ziele: 1. Entwicklung eines Wachstumsverfahrens für magnetische 2D-Heterostrukturen mit Tc >= 350 K und PMA durch Molekularstrahlepitaxie. 2. Abstimmung und Maximierung der Tunnelspinpolarisation in MTJs durch Verdrehungswinkel-, Vorspannungs- und Gate-Steuerung unter Ausnutzung des impulserhaltenden Elektronentunnelns über 2D-Tunnelbarrieren. 3. Demonstration des zuverlässigen Betriebs von TMR-Bauelementen bei Raumtemperatur mit einem TMR-Verhältnis von >100% unter Verwendung skalierbarer magnetischer VdW-Heterostrukturen. MagicTune wird das Fachwissen in den Bereichen epitaktisches Wachstum und Charakterisierung, Tunnelmagnetowiderstandsbauelemente, Twistronik, Quanten- und Spintransportmessungen und Nanofabrikation von 2D-Nanobauelementen nutzen. Der Erfolg von MagicTune wird zu einem Durchbruch bei den Funktionalitäten von TMR-Bauelementen führen und leistungsstarke, kompakte und energieeffiziente Technologien mit 2D-Heterostrukturen ermöglichen. Dieses Projekt ist sehr vielversprechend und steht an der Spitze der multidisziplinären Nanowissenschaften und Nanotechnologien.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich, Schweden
• Mitverantwortliche: Privatdozent Dr. Michael Hanke; Dr. Jens Herfort; Dr. Achim Trampert
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Professor Dr. Saroj Dash; Professor Sergey Kubatkin; Professor Dr. Samuel Lara-Avila; Dr. Dominique Mailly; Professorin Dr. Rebeca Ribeiro-Palau