Het groeiende veld van spintronica belooft een nieuwe generatie apparaten door gebruik te maken van de spinvrijheidsgraad van het elektron naast zijn lading om nieuwe functionaliteiten te creëren die niet mogelijk zijn met conventionele elektronica. Het gigantische magnetoweerstandseffect (GMR) (Nobelprijs voor Natuurkunde 2007) is een paradigmatisch voorbeeld van een spintronica-toepassing. Aangezien de interface tussen de magnetische en niet-magnetische materialen een belangrijk onderdeel is van een dergelijk apparaat, het is cruciaal om zowel de oppervlakte- als de bulk elektronische en magnetische eigenschappen te karakteriseren en te begrijpen.

In een recente publicatie in Natuurcommunicatie , een joint venture tussen theoretici, experimentatoren en monstertelers onder leiding van een groep van de National Research Council (CNR) Trieste, Italië, rapporteert een systematische foto-emissiespectroscopiestudie van twee representatieve materialen voor spintronica-toepassingen, (Ga, Mn)As en La1-xSrxMnO3. Met behulp van de fotonenergie van de invallende synchrotronstraling van de Surface and Interface Structural Analysis-bundellijn (I09) bij Diamond Light Source als een hulpmiddel voor diepteprofilering, ze waren in staat om de variatie in de sterkte van de magnetische orde en de elektrische geleiding van het oppervlak tot in het grootste deel van het materiaal te kwantificeren. Deze studie stelt de verschillende eigenschappen van de oppervlakken vast ten opzichte van de bulk en de karakteristieke 'kritische' diepten die nodig zijn om de bulkeigenschappen te herstellen, die cruciale stukjes informatie zijn voor het ontwerp van spintronische apparaten op basis van deze materialen.

Materiaaluitdaging voor spintronica-toepassingen

Moderne elektronica vertrouwt op het vermogen om stromen in solid-state apparaten zoals transistors en diodes te regelen. Echter, naast hun last, elektronen hebben een andere kwantummechanische eigenschap die bekend staat als 'spin', die verantwoordelijk is voor het fenomeen magnetisme. In materialen die worden gebruikt voor conventionele elektronica, zoals silicium, de spin is een overtollige vrijheidsgraad, maar het doel van het opkomende gebied van spintronica is om apparaten te kunnen maken waarin zowel de lading als de spinstromen tegelijkertijd kunnen worden bestuurd, waardoor een nieuwe generatie logische en geheugenapparaten mogelijk is.

Elk potentieel spintronisch apparaat moet een materiaal bevatten dat zowel magnetisch als elektrisch geleidend is, het mogelijk maken van de voortplanting van een 'spinstroom'. In grote lijnen, twee 'doping'-benaderingen voor deze materiaaluitdaging zijn denkbaar - ofwel door magnetische elementen zoals mangaan in een anders niet-magnetische halfgeleider te introduceren, zoals (Ga, Mn)Als, of door extra vervoerders in te voeren door, bijvoorbeeld, sommige lanthaanatomen vervangen door strontiumatomen, daarbij één extra elektron doneren in La1-xSrxMnO3; in beide gevallen, men kan magnetisme induceren. Door controle van de chemische samenstelling, het is mogelijk om de bulkeigenschappen van het materiaal af te stemmen en te optimaliseren, inclusief de dragerdichtheid en de kritische temperatuur waaronder het materiaal magnetisch is (of om precies te zijn, ferromagnetisch). Echter, als deze materialen moeten worden gebruikt in praktische apparaten, ze zullen worden gebruikt in interfaces met andere componenten, en daarom is het van cruciaal belang om ook te begrijpen hoe de eigenschappen van de oppervlakken van het materiaal kunnen verschillen van het gedrag diep in het grootste deel van het monster. Bovendien, het is van het grootste belang om kwantitatief de lengteschaal te bepalen waarover de volledig bulkachtige eigenschappen zich ontwikkelen.

Diepteafhankelijke informatie van foto-elektronenspectroscopie op I09

Het experimenteel extraheren van diepte-afhankelijke informatie over het metallische karakter van de elektronen is geen sinecure. Echter, theoretische berekeningen die in het kader van dit onderzoek werden uitgevoerd, toonden aan dat de mate van 'metalliciteit' indirect kon worden bepaald via een meting die bekend staat als foto-emissiespectroscopie. Deze berekeningen zijn uitgevoerd door professor Gerrit van der Laan van Diamond en professor Munetaka Taguchi van Spring8 en NAIST, Japan. Bij deze techniek, een bundel röntgenstralen schijnt op het betreffende monster, elektronen uitstoten die de foto-elektronen worden genoemd. Het energieprofiel van deze foto-elektronen onthult informatie over de elektronische toestanden in het monster, en er werd aangetoond dat een smal 'satelliet'-kenmerk naast de meer conventionele pieken die voortkomen uit elektronen in een bepaalde '2p'-schil van mangaan, kan worden geïnterpreteerd als een duidelijke vingerafdruk van de aanwezigheid van metallisch gedrag.

Omdat de foto-elektronen het monster via het oppervlak moeten verlaten om te worden gedetecteerd, men zou verwachten dat de techniek het meest gevoelig zou zijn voor elektronentoestanden nabij het oppervlak van het monster. Dit is over het algemeen waar, maar door de energie van de inkomende röntgenstraal af te stemmen, kan men de karakteristieke lengteschaal die bij de meting wordt onderzocht, variëren. Met röntgenstralen met hogere energie, de uitgeworpen foto-elektronen hebben ook een hogere energie, en kan het monster van dieper in het materiaal verlaten.

Dit is waar de Surface and Interface Structural Analysis-bundellijn (I09) bij Diamond Light Source van pas komt. I09 is een zeer veelzijdige bundellijn, waarin foto-elektronenspectroscopiemetingen kunnen worden uitgevoerd met een uitstekende resolutie, hoge straalintensiteit, en - cruciaal voor deze studie - een uniek breed scala aan röntgenenergieën. Deze kenmerken geven de onderzoekers de mogelijkheid om oppervlaktegevoelig te meten bij lage energieën, of om hoge energieën te gebruiken om diep in het grootste deel van het monster te kijken, met alle andere experimentele overwegingen constant gehouden (merk op dat 'diep' in deze context nog steeds ongeveer 500 keer kleiner is dan de breedte van een mensenhaar!). "Tijdens onze metingen bij I09 waren we in staat om de fijne details van de elektronische structuur binnen hetzelfde materiaal te kwantificeren en te volgen als een functie van diepte, van het oppervlak in de bulk", beschreef Tommaso Pincelli, een promovendus van CNR, Triëst en een hoofdauteur van de studie.

Materiaalafhankelijke lengteschalen – maar het oppervlak is altijd anders

Door deze energieafhankelijke foto-elektronspectroscopiemetingen uit te voeren op (Ga, Mn)As en La1-xSrxMnO3, de onderzoekers konden aantonen dat het metaalgedrag in de bulk aan het oppervlak sterk onderdrukt werd. De twee verschillende materialen vertoonden verschillende karakteristieke lengteschalen die nodig waren om bulkachtige eigenschappen te ontwikkelen:respectievelijk 1,2 nm en 4 nm. Dit zijn cruciale parameters voor het ontwerpen van spintronische apparaten op basis van deze materialen:het is niet alleen nodig dat men de fysieke atomaire structuur kan ontwerpen met sub-nanometer precisie, maar de variatie van elektronische eigenschappen over deze lengteschalen is ook belangrijk. "Deze elektronische lengteschalen zijn behoorlijk belangrijk en er moet rekening mee worden gehouden bij het ontwerp van toekomstige apparaten", concludeerde Dr. Giancarlo Panaccione, de corresponderende auteur van de studie.