Besonderheiten von Germaniumtellurid auf der Nanoskala aufgedeckt
Wie sich die Spintextur in GeTe-Einkristallen durch ferroelektrische Polarisation innerhalb einzelner Nanodomänen umschalten lässt
Germanium-Tellurid (GeTe) ist ein interessantes Material für die Spintronik. Nun hat ein deutsch-russisches Team an BESSY II gezeigt, wie sich die Spintextur in GeTe-Einkristallen durch ferroelektrische Polarisation innerhalb einzelner Nanodomänen umschalten lässt.
Die Fermioberfläche eines GeTe-Kristalls (111) konnte an BESSY II experimentell ermittelt werden.
© HZB
Germanium-Tellurid (GeTe) ist als ferroelektrischer Rashba-Halbleiter mit einer Reihe von interessanten Eigenschaften bekannt. Die Kristalle bestehen aus Nanodomänen, die durch externe elektrische Felder polarisiert werden können. Aufgrund des sogenannten Rashba-Effekts kann in diesem Material die Ferroelektrizität auch dazu genutzt werden, die Elektronenspins innerhalb der Domänen umzuschalten.
Spintronik spart Energie
Germaniumtellurid ist daher ein interessantes Material für spintronische Bauelemente, die eine Datenverarbeitung mit deutlich geringerem Energieaufwand ermöglichen. Nun hat ein Team des HZB und der Lomonosov Moscow State University umfassende Einblicke in dieses Material auf der Nanoskala gegeben. Die Helmholtz-RSF-Joint Research Group wird Dr. Lada Yashina (Lomonosov-University) und Dr. Jaime Sánchez-Barriga (HZB) geleitet.
Strukturen auf der Nanoskala
"Wir haben das Material mit einer Reihe von komplementären Methoden untersucht, um seine atomare Struktur, und insbesondere auch die interne Korrelation zwischen der atomaren und elektronischen Struktur auf der Nanoskala zu bestimmen", sagt die Chemikerin Lada Yashina, die die hochwertigen kristallinen Proben in ihrem Moskauer Labor hergestellt hat.
Mikroskopische Untersuchungen zeigten, dass die ferroelektrischen Nanodomänen von zwei verschiedenen Arten von Grenzflächen umgeben sind. An BESSY II konnte das Team diese Grenzflächen genau untersuchen und Nanodomänen mit entweder Germanium- oder Tellurium-Atomen an der obersten Oberflächenschicht zuordnen.
Ferroelektrizität und Spintexturen
"An BESSY II konnten wir dabei auch die Zusammenhänge zwischen der Spinpolarisation im Inneren oder an der Oberfläche der Domänen mit den Konfigurationen der ferroelektrischen Polarisation genau analysieren", erklärt der HZB-Physiker Jaime Sánchez-Barriga. Das Team ermittelte auch, wie die Spintextur durch ferroelektrische Polarisation innerhalb einzelner Nanodomänen wechselt. "Unsere Ergebnisse sind wichtig für potenzielle Anwendungen ferroelektrischer Rashba-Halbleiter in nichtflüchtigen Spintronik-Bauelementen mit erweiterten Speicher- und Rechenfähigkeiten auf der Nanoskala", betont Sánchez-Barriga.
Originalveröffentlichung
Alexander S. Frolov, Jaime Sánchez-Barriga, Carolien Callaert, Joke Hadermann, Alexander V. Fedorov, Dmitry Yu. Usachov, Alexander N. Chaika, Brian C. Walls, Kuanysh Zhussupbekov, Igor V. Shvets, Matthias Muntwiler, Matteo Amati, Luca Gregoratti, Andrei Yu. Varykhalov, Oliver Rader, and Lada V. Yashina; "Atomic and Electronic Structure of a Multidomain GeTe Crystal"; ACS Nano; 2020
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