Spintronics and Plasmonics
Ziel der Spintronik ist es, neben der Elektronenladung auch eine weitere Eigenschaft des Elektrons,
seinen Spin (Eigendrehimpuls), in Bauelementen auszunutzen.
Ein prototypisches Bauelement ist der Datta-Das-Spin-Transistor,
in dem die Spinausrichtung der Elektronen durch ein MOS-Gate manipuliert werden kann, wie in folgender Abbildung dargestellt:
Abbildung: Schematische Darstellung und Funktionsweise eines Datta-Das-Spin-Transistors
Grundvoraussetzung für die Realisierung spintronischer Bauelemente ist es, spinpolarisierte Elektronen injizieren,
manipulieren und detektieren zu können.
Wir arbeiten an Spininjektion in SiGe-Heterostrukturen und Spin-Transport in Elektronenkanälen mit hohen Ladungsträgerbeweglichkeiten.
Dies beinhaltet auch die Suche nach ferromagnetischen Materialien, die CMOS-kompatibel sind, und ihre Integration in die Bauelement-Herstellung.
Y. Zhou, W. Han, L.-T. Chang, F. Xiu, M. Wang, M. Oehme, I. Fischer, J. Schulze, R.K. Kawakami, K.L. Wang, "Electrical spin injection and transport in germanium", Phys. Rev. B 84, 125323 (2011)
Plasmonik
Der Stromtransport durch metallische Inter- und Intrachip-Verbindungen unterliegt physikalischen Beschränkungen,
die einer fortschreitenden Miniaturisierung Grenzen setzen: Kleiner werdende Verbindungen haben höhere Widerstände und
sind stärker kapazitiv gekoppelt; an optischen Übertragungsstrecken als Alternativen wird zur Zeit aktiv geforscht.
Photonische Übertragungsstrecken unterliegen jedoch der Beschränkung,
dass sich die Strukturen nicht unterhalb λ/2 (mit λ: Wellenlänge des Lichts) verkleinern lassen,
sie sind daher vor allem für Interchip-Verbindungen relevant.
Plasmonische Übertragungsstrecken dagegen können prinzipiell Sub-100-nm-Dimensionen haben und
stellen daher eine mögliche Zwischenstufe zwischen einer photonischen und einer metallischen Verbindungsebene dar.
Hierbei sind Plasmonen elektromagnetische Anregungen an der Grenzfläche zwischen einem Metall und einem Dielektrikum,
genauer handelt es sich um Oberflächen-Plasmon-Polaritonen, d.h. Elektronendichteschwankungen im Metall,
die an elektromagnetische Felder außerhalb des Metalls koppeln.
Abbildung:
Links: Verlauf des elektrischen Feldes bei plasmonischen Anregungen
an einer Grenzfläche zwischen Metall und Dielektrikum (Barnes et al.);
rechts: Mit Elektronenstrahllithografie geschriebenes Grating in Aluminium auf SiO2 (Bachelorarbeit L. Augel)
zur optischen Erzeugung von Plasmonen an der Grenzfläche zwischen Aluminium und SiO2.
Wir untersuchen die Realisierung von plasmonischen Verbindungen in CMOS-kompatiblen Materialsystemen,
dies beinhaltet optische Erzeugung, Propagation und elektrische Detektion von Plasmonen.
William L. Barnes, Alain Dereux & Thomas W. Ebbesen, "Surface plasmon subwavelength optics", Nature 424, 824-830 (2003)