Nano-Drähte werden magnetisch

Japanische Forscher stellten vor einigen Jahren zufällig eine Verbindung aus Silizium, Mangan und Kohlenstoff her, die unerwarteterweise auch bei Raumtemperatur ferromagnetisch war. Nun ist es deutschen Forschern erstmals gelungen, magnetische „Nano-Drähte“ aus diesem Material zu erzeugen.

Wie die Wissenschaftler aus Karlsruhe und Dresden in der Fachzeitschrift „Applied Physics Letters“ berichten, implantierten sie hierzu Kohlenstoff-Ionen bei erhöhter Temperatur in Mangansilicid.

Silizium ist das wichtigste Material für die Herstellung von Handy- oder Computerchips. Neue magnetische Eigenschaften von Silizium-Verbindungen rufen deshalb immer ein großes Echo hervor.

Christoph Sürgers von der Universität Karlsruhe und Kay Potzger vom Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD) beschäftigen sich mit der Wechselwirkung magnetischer und elektronischer Eigenschaften von Materialien. Jedes Elektron ist quasi ein winzig kleiner Magnet, denn es verfügt über eine Eigenrotation, den Spin. Da der Spin mindestens zwei verschiedene Einstellmöglichkeiten hat, bietet sich seine Nutzung als Informationsträger (ein/aus bzw. 0/1) an.

Festplatten mit riesigem Speichervermögen

Bereits in den 1980er-Jahren entdeckten die Physik-Nobelpreisträger des Jahres 2007, Grünberg und Fert, den Riesenmagnetowiderstand – „Giant Magnetoresistance (GMR)“ -, der Festplatten mit einem Speichervermögen von vielen Giga-Byte ermöglicht. Damit begründeten sie die zukunftsträchtige Spinelektronik oder auch Spintronik. Die Reduzierung der Größe der Leiterbahnen bis in den Nanometerbereich (ein Nanometer entspricht einem Millionstel Millimeter) könnte jedoch auch völlig neuartige Effekte erzeugen, ja sogar zu stabileren Schaltkreisen führen.

Diese Herangehensweisen wurden nun im Ionenstrahlzentrum des FZD auf der Grundlage von Materialien aus Karlsruhe erfolgreich kombiniert. Potzger implantierte Kohlenstoff-Ionen in eine dünne Schicht aus Mangansilicid (Mn5Si3). Um den neuen Materialverbund besser untersuchen zu können, entschloss er sich dann, die Kohlenstoff-Ionen erstmals mit Hilfe einer Lochmaske in kleine quadratische Flächen zu implantieren.

Eine „Falle“ für Kohlenstoff

Bei den während der Implantation verwendeten Substrat-Temperaturen von circa 450 °C wandert der Kohlenstoff jedoch vom Zentrum der Quadrate an die Ränder und bildet dort regelmäßige ferromagnetische Nano-Drähte aus Mangan, Silizium und Kohlenstoff.

In den Nano-Drähten liegen die durch die Elektronen erzeugten magnetischen Momente parallel zueinander ausgerichtet vor. Dieser Zustand ist ideal geeignet für weitere Arbeiten, die sich dem Transport von Elektronen in Nano-Drähten widmen werden. Die Forscher wollen gezielt Defekte in dünnen Materialschichten erzeugen, die als „Falle“ für den implantierten Kohlenstoff dienen sollen.

(idw – Forschungszentrum Dresden – Rossendorf, 21.08.2008 – DLO)