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Nanotechnisch

Halbleiter Spintronik: Spinerzeugung und elektrischer Transport in Halbleitern: Herstellung und Entwicklung von Spintronik Prototypen


170313 Berend T Jonker

Dr. Berend T. Jonker leitet den Bereich Magnetoelectronic Materials & Devices der Abteilung Materials Science & Technology am Naval Research Laboratory in Washington, DC. Seine Forschung konzentriert sich auf die Halbleiter Spintronik, einschließlich der Spinerzeugung und dem elektrischen Transport in Halbleitern und der Entwicklung und Herstellung von Spintronik Prototypen.


Was sind magnetoelektronische Geräte und wie benutzen Sie diese?

Wir beobachten zurzeit Materialeigenschaften und ihre Wechselwirkung einschließlich magnetischer Metalle. Gewisse Materialien versprechen theromagnetisch zu sein, das heißt sie haben ein Nicht-Null-Phänomen oder ein magnetisches Moment. Dies wird universell bei Motoren, Werkzeugen usw. eingesetzt.

Wir sind derzeit auf der Suche nach Werkstoffen für nichtflüchtige Datenspeicher in IT für programmierbare logische Schaltungen, ultraniedrigen Stromverbrauch für Geräte und Schaltungen und Sensoren für Drohnen. Das erlaubt Unterwassergeräte und die Arbeit im Feld ohne Batterien. Wir konzentrieren uns auf Geräte mit äußerst niedrigem Stromverbrauch, die überall eingesetzt oder von Drohnen geliefert werden können.

 

Welche Rolle spielt die Mikroskopie bei Ihrer Forschung?

Wir decken einen breiten Bereich für optische und magnetische Sensoren ab. Wir verwenden routinemäßig SEM, RKM, MFM und optische Spektroskopie zur Auswertung von Materialien, die wir herstellen. Wir beschäftigen uns viel mit Materialsynthese und benutzen zur Charakterisierung eine Reihe von Werkzeugen.

Das Park NX 10 RKM ist eines unserer Instrumente. Es wurde vor allem aufgrund seines günstigen Preis-Leistungsverhältnisses ausgewählt und wurde zur ersten Demonstration von metallischem Spin verwendet. Die Ergebnisse dieser Arbeit wurden gerade in ACS Omega veröffentlicht. Die Resultate eröffnen interessante Möglichkeiten für die Weiterentwicklung von Sensoren und Datenspeicherung.

Der Markt für wissenschaftliche Geräte ist ein internationaler Weltmarkt. Unser Labor hat eine Reihe von Geräten für die Messung mit spinpolarisierter Rastertunnelmikroskopie (STM) und andere Geräte, die weltweit zu den modernsten Anlagen zählen.

170313 STM Si 553 Au
Theoretische Rastertunnelmikroskopie-Topografie, die die Spitzenhöhe bei konstantem Strom zum Tunneln in leere Oberflächenzustände von Si(553)-Au bei einer Vorspannung von +0,5 V zeigt. Koexistierende dreifache und doppelte Periodizitäten entlang der Si-Stufenkante bzw. der Au-Kette sind zu sehen.


NRL produziert Spinfilter mit Graphen bei Raumtemperatur

Ein interdisziplinäres Team von Wissenschaftlern am US Naval Research Laboratory (NRL) berichtet über die erste Demonstration der metallischen Spinfilterung bei Raumtemperatur mit Ferromagnet-Graphen-Ferromagnet-Dünnschichthalbleitern. Spin ist eine fundamentale Eigenschaft von Elektronen, zusätzlich zu Ladung, die zur Übertragung, Verarbeitung und Speicherung von Daten verwendet werden kann.

170313 grafeno spin filtradoKonzeptionelle Darstellung einer Spinfilter-Graphen-Übergangszone: Filme aus Nickel (blau) und Eisen (rot) enthalten eine Mischung von Elektronen mit Auf- und Abwärtsspins. Einige Graphenschichten (grau) liegen zwischen den Metallschichten, um einen leitfähigen Pfad für Elektronen mit einer Spinrichtung zu erzeugen, während der andere Spin blockiert wird. Strom, der durch den metallischen Übergang (als "J" bezeichnet) fließt, wird spinpolarisiert. (US Naval Research Laboratory)

"Spinfilterung war theoretisch vorhergesagt, konnte bisher jedoch nur für hochohmige Strukturen bei tiefen Temperaturen beobachtet werden", sagt Dr. Enrique Cobas von der Abteilung für NRL Materials Science and Technology. "Die neuen Ergebnisse bestätigen den Effekt bei Raumtemperatur bei sehr geringem Widerstand in einer Vielzahl von Geräten."

Die Dünnschichtübergangszonen zeigten einen geringen Widerstand und die Magnetwiderstandscharakteristik einer Spinfilter-Grenzfläche von tiefen Temperaturen bis zu Raumtemperatur. Die Forscher entwickelten auch ein Modell zur Vorhersage der Spinfilterung durch die explizite Behandlung eines metallischen Minoritätsspinkanals mit Spinstromumwandlung. Sie kamen zu dem Ergebnis, dass mindestens 80 Prozent der Spinpolarisation in der Graphenschicht erfolgen.
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"Graphen ist für seine außergewöhnlichen Eigenschaften in der Ebene bekannt, aber wir interessieren uns für die Leitfähigkeit zwischen Graphenschichten, und wie sie mit anderen Materialien interagieren", sagt Dr. Cobas. Um dies zu tun, entwickelten NRL-Forscher eine Methode zur Herstellung großer mehrschichtiger Graphenfilme direkt auf einem glatten, kristallinen Nickel-Legierungsfilm unter Beibehaltung der magnetischen Eigenschaften des Films. Danach haben sie den Film mit Arrays von Kreuzverbindungen strukturiert. "Wir wollten auch zeigen, dass wir diese Bauteile mit Standard-Industriegeräten produzieren können und nicht nur ein Bauteil machen können", fügt Dr. Cobas hinzu.

Das Spinfilterphänomen beruht auf der Wechselwirkung der quantenmechanischen Eigenschaften von Graphen mit denen eines kristallinen Nickelfilms. Wenn sich Nickel- und Graphenstrukturen entsprechend zueinander ausrichten, können nur Elektronen mit dem gleichen Spin von einem Material zum anderen passieren. Dieser Effekt wird als Spinfilter bezeichnet wird und führt zur Spinpolarisation des elektrischen Stroms.

"Es geht noch besser. Theoretisch lässt sich der Effekt durch die Feinabstimmung der Anzahl der Graphenschichten noch um einen Faktor 10 verstärken.", sagt Dr. Olaf van 't Erve, wissenschaftlicher Mitarbeiter bei NRL Materials Science and Technology. "Allerdings berücksichtigen aktuelle Modelle nicht die Spinumwandlung innerhalb der ferromagnetischen Kontakte. Sobald wir diese Effekte berücksichtigen, kommen wir der 100-prozentigen Spinpolarisation in der Graphenschicht nahe. Dann können wir unsere Gerätegeometrie und das Material zur Maximierung des Effekts überarbeiten."

Die Ergebnisse sind relevant für nichtflüchtige magnetische Speicher mit freiem Zugriff (MRAM). Diese verwenden spinpolarisierte Impulse zur Umkehrung von magnetischen Bits. Sie sind auch für zukünftige Spin-Logik-Technologien oder magnetische Sensoren von Interesse.

Die Forschungsergebnisse wurden in ACS Nano (DOI 10.1021 / acsnano.6b06092) veröffentlicht. Die Autoren sind Dr. Enrique Cobas, Dr. Olaf van 't Erve, Dr. Shu-Fan Cheng, Dr. Konrad Bussman und Dr. Berry Jonker aus der Abteilung Materials Science and Technology Division and Dr. James Culbertson und Dr. Glenn Jernigan aus der Abteilung Electronics Science and Technology Division am NRL.

170313 dominios ferroelectricosRäumliche Kontrolle der Fotolumineszenz bei Raumtemperatur durch ferroelektrische Domänen in Monolayer WS2 / PZT Hybridstrukturen. Connie H. Li, Kathleen M. McCreary und Berend T. Jonker, Materials Science and Technology Division, Naval Research Laboratory.

ABSTRAKT

Monolayer-Übergangsmetall-Dichalkogenide zeigen außergewöhnlich starke Fotolumineszenz (FL), in der Hauptsache durch eine Kombination von neutralen und geladenen Exzitonbeiträgen. Wir zeigen hier, dass die Oberflächenladung in Verbindung mit ferroelektrischen Domänen, die auf einem Bleizirkoniumtitanatfilm mit einem Rasterkraftmikroskop strukturiert wurden, die räumliche Verteilung von neutralen und geladenen Exzitonpopulationen in einer benachbarten WS2-Monoschicht steuert. Dies äußert sich in der Intensität und der Zusammensetzung des FL-Spektrums. Messungen wurden in Luft bei Raumtemperatur in WS2-Bereichen über einer ferroelektrischen Domäne mit einem Polarisationsdipol, der entweder aus der Oberflächenebene oder in die Oberflächenebene gerichtet ist, durchgeführt. Dieser Ansatz ermöglicht die räumliche Modulation von FL-Intensität und Trion- und neutralen Exzitonpopulationen und die Herstellung von lateralen Quantenpunktstrukturen von beliebiger Geometrie mit potenzieller Anwendung bei nichtflüchtigen optisch adressierbaren Speichern oder Quantencomputern.

Vollständiger Artikel bei: http://pubs.acs.org/journal/acsodf


"Wir haben das Park NX 10 RKM aufgrund seines günstigen Preis-Leistungsverhältnisses und entsprechend unseren Anforderungen gewählt. Der Markt für wissenschaftliche Geräte ist ein internationaler Markt. Wir haben eine Reihe weltweiter Unternehmen evaluiert, bevor wir uns für das Park Systems RKM entschieden haben. Das Park Systems RKM besaß die höchste Rendite für die Anschaffungskosten." Dr. Berend Jonker

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Staatssekretär der Navy Robert Work überreicht Dr. Berend Jonker vom NRL den Presidential Rank Award
(Foto: USNaval Forschungslabor, Jamie Hartman)

Im Jahr 2011 erhielt Dr. Berend Jonker den Presidential Rank Award für Meritorious Senior Professional. Dr. Jonker wurde für seine langfristige Grundlagenforschung bei der Entwicklung magnetoelektronischer Materialien und Technologien und die Demonstration von prototypischen Gerätekonzepten geehrt. Ihre verbesserte Leistung bei der Informationserfassung, -verarbeitung und -speicherung unterstützt das Navy/Marine Corps im globalen Kampf gegen den Terrorismus.

Dr. Jonkers ist in der Branche für seine außerordentliche Karriere, einschließlich seiner Arbeit im Elektronenspin, bekannt. Er war eine Schlüsselfigur bei der Entwicklung und Nutzung von Elektronenspin als alternative Zustandsvariablen zur Informationsspeicherung und -verarbeitung in Halbleitern, einschließlich elektrischer Spininjektion und der Erkennung und Erzeugung von reinen Spinströmen. Seine Forschung hat auch erheblich zu Fortschritten in der Grundlagenwissenschaft der Magnetoelektronik beigetragen, vor allem der Wechselwirkung der beiden wichtigsten Werkstofftechnologien bei der Speicherung und der Verarbeitung von Information: ferromagnetischen Metallen (magnetische Speicher) und Halbleitern (Logik, Verarbeitung). Dies hat zur Entwicklung zukünftiger Elektronik auf der Basis des Spins geführt, die schneller, sofort an und nicht-flüchtig ist, sowie höhere Funktionalität und geringeren Stromverbrauch als die vorhandene ladungsbasierte Elektronik aufweist. Das erweitert die Fähigkeiten des Navy/Marine Corps. Er ist eine zentrale Figur in der multidisziplinären Forschung und bietet wissenschaftliche Leitung und eine Vision für magnetoelektronische Materialien und Technologien von Informationssensoren, -verarbeitung und -speicherung. Das schließt die Initiierung und Koordination mehrerer großer Forschungsprogramme in Höhe von ~15 Millionen Dollar (2007- 2010) ein. Er ist Beratungsmitglied für Wissenschaft- und Technologieprobleme von außerordentlichem Ausmaß, Autor und Mitglied bei International Technology Roadmap for Semiconductors sowie Berater für strategische Forschungsplanung für das Office of Naval Research, die Defense Advanced Research Projects Agency, die National Science Foundation und das Army Research Office.

Das US Naval Research Laboratory ist zukunftsweisende wissenschaftliche Institution zur Stärkung der Position unseres Landes in der globalen Führungsrolle der Marine. In diesem Umfeld sind die besten Wissenschaftler und Ingenieure der Nation dazu angehalten, ihren Interessen nachzugehen. Das Ziel sind Forschungsergebnisse, die sofort und auf lange Sicht zur Verteidigung der Vereinigten Staaten beitragen.

Im Januar 2002 wurde mit dem Bau einer großen Anlage am NRL-DC begonnen. Das Institut für Nanowissenschaften wurde Ende 2003 eingeweiht. Das Institut verfolgt hoch innovative, interdisziplinäre Forschung an den Schnittstellen von Werkstoffen, Elektronik und Biologie im Nanobereich.

Das Institut nutzt den breiten multidisziplinären Ansatz des Naval Research Laboratory, um Wissenschaftler mit unterschiedlicher Ausbildung und Hintergrund zusammenzubringen und um gemeinsame Ziele an den Schnittstellen ihrer jeweiligen Gebiete anzugehen.
Ziel des Instituts ist es, der Marine und dem DoD mit wissenschaftlichem Rat in diesem komplexen, aufstrebenden Gebiet zur Seite zu stehen und Möglichkeiten für Fortschritte bei der Verteidigung aufzuzeigen.