16.06.2016

Graphen auf Halbleitersubstrat als Kandidat für Spintronik

Die Illustration zeigt, wie die Goldatome unter dem Graphen sitzen. Bild: HZB

Ein elektrischer Strom kann die Spins im Graphen beeinflussen: a) Ohne Goldatome bleiben die Elektronenspins erhalten. b) Durch die Nähe zu Goldatomen drehen sich die Spins nach 40 Nanometern um 180 Grad. Dieser Effekt kann auf einem Halbleitersubstrat genutzt werden. Bild: HZB

Graphen auf Siliziumkarbid könnte ein interessantes Materialsystem für künftige spintronische Bauelemente werden.  Durch eingeschleuste Goldatome kann die Spin-Bahn-Wechselwirkung punktuell so stark erhöht werden, dass sich die Spins kontrollieren lassen. Dies zeigen erste Ergebnisse an BESSY II, die nun in den Applied Physics Letters veröffentlicht sind. 
 
In der Elektronik spielt die elektrische Ladung die Hauptrolle. In der zukünftigen Spintronik wird der Spin der Elektronen diese Rolle übernehmen. Informationen könnten somit verlustfrei transportiert werden. Um solche Bauelemente zu realisieren, müssen Materialien entwickelt werden, in denen die Spin-Information über lange Strecken erhalten, aber auch manipuliert werden kann. Graphen ist dafür ein guter Kandidat: In Graphen, einer Modifikation von Kohlenstoff, können sich Elektronen über weite Strecken bewegen, ohne dass deren Spins ihre Ausrichtung verlieren. Auch gezielte Spin-Manipulationen sind in Graphen möglich. Dies zeigten die HZB-Physiker Dr. Andrej Varykhalov und Dr. Dmitri Marchenko bereits vor einigen Jahren, als sie Graphen mit Goldatomen dotierten und beobachteten, wie sich dadurch Spins ausrichten.

Bisher störte die metallische Unterlage

Dieses Ergebnis hat in der Zwischenzeit zu einigen Durchbrüchen geführt, die bislang jedoch einen Haken hatten: Die Unterlage, auf der die Graphenschicht abgeschieden wurde, war metallisch! Die Gold-Atome wurden zwischen Graphen und einer Unterlage aus Nickel eingeschleust. Dadurch erhöhte  sich die so genannte Spin-Bahn-Wechselwirkung um den Faktor 10.000. Für einen Effekt dieser Größe weiß man aus Rechnungen, dass sich die Spins der Elektronen systematisch drehen: alle 40 Nanometer um 180 Grad. Dennoch war es nicht möglich, mit den Spins Informationen zu übertragen. Denn da die Unterlage (Nickel) elektrisch leitfähig ist, fließen gleichzeitig viele Elektronen mit ganz ungeordneten Spins. Wegen dieses „Kurzschlusses“ lässt sich auf Nickel-Substraten der Effekt nicht nutzen.

„Reine“ Probe auf Halbleitersubstrat

Dies gelang den beiden HZB-Forschern nun in Graphen, das diesmal auf Siliziumkarbid, einem halbleitenden Substrat, abgeschieden wurde. Die Herausforderung war hier, beim Einschleusen der Goldatome eine gleichmäßige Verteilung zu erreichen. Denn in Bereichen mit nur wenigen Goldatomen lädt sich das Graphen negativ auf; in Bereichen mit mehr Goldatomen lädt es sich positiv auf und wird zum Lochleiter. Es war ausgesprochen schwierig, erinnert sich Marchenko, Erstautor der Arbeit, Proben mit ausschließlich positiver Dotierung herzustellen. Schließlich konnte er eine rein positive Probe mit spinaufgelöster Photoelektronen-Spektroskopie an BESSY II untersuchen. 

Große Effekte nur in der Nähe von Hot Spots

Das Gold-dotierte Graphen auf Siliziumkarbid zeigte dabei ein anderes Verhalten als auf Metall-Substraten. Die Erhöhung der Spin-Bahn-Kopplung um vier Größenordnungen tritt hier nur in der Nähe von bestimmten „Hot Spots“ auf: nämlich dort, wo sich die Energieniveaus von Graphen und Gold treffen.

Spin-Effekte an- und ausschalten

Damit sich diese hohe Spin-Bahn-Wechselwirkung nutzen lässt, um Spins tatsächlich zu transportieren, müsste man das Graphen demnach mit einem zweiten Element positiv dotieren oder eine zusätzliche Gate-Spannung anlegen, die diese „Hot Spots“ energetisch auf die Fermi-Energie anhebt. „Eine kleine Spannung würde schon ausreichen, um Spin-Effekte an- oder auszuschalten“, sagt Marchenko.


Zur Publikation: Rashba splitting of 100 meV in Au-intercalated graphene on SiC, D. Marchenko, A. Varykhalov, J. Sánchez-Barriga, Th. Seyller and O. Rader. Appl. Phys. Lett. 108, 172405 (2016); http://dx.doi.org/10.1063/1.4947286



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