Theory of Adsorption, Diffusion and Spinpolarization of Mn on Si(001) and Si(111) Substrates

Abstract

The field of spintronics opens the possibility to construct a novel type of electronic devices that use the electron's spin, in addition to its charge, to store and manipulate information. The injection a spin-polarized current into a semiconductor, one of the key requirements for spintronics, poses the challenge for computational materials science to design suitable materials. The suitable materials which can be employed for spin injection i) should show (preferably ferro-)magnetic ordering even above room temperature, ii) have a high spin polarization of carriers at the Fermi level, and iii) be structurally compatible with silicon. In a number of theoretical investigations, we have put forward magnetic metallic MnSi compounds grown epitaxially on Si as promising candidate materials. We employed density- functional theory calculations with the GGA-PBE exchange-correlation functional and the full-potential augmented wave plus local orbital (FP- APW+lo) method, as implemented in the WIEN2k package. In the spirit of "computational materials design", the morphology, stability and magnetic properties of ultra-thin films of Mn-mono-silicide, in contact with the low index Si(001) and Si(111) surfaces are investigated. The main interest is to explore whether magnetic films could be stabilized by epitaxial growth on Si substrates. In the present work we discuss the magnetic character of films, as well as their potential as spin-injectors. Furthermore, we study in simple physical models the criteria of film formation and island nucleation of manganese silicides on Si substrates.

Eines der Ziele der Spinelektronik ist die Entwicklung neuartiger elektronischer Baugruppen, die neben der elektrischen Ladung den Spin der Elektronen nutzen, um Informationen zu speichern oder zu verarbeiten. Die Injektion spin-polarisierten Stromes in einen Halbleiter - eine der Grundvoraussetzungen von Spinelektronik - stellt eine Herausforderung an die Werkstoffwissenschaften dar, geeignete Materialien zu entwickeln. Ein für die Spininjektion geeignetes Material sollte i)(möglichst ferro-)magnetische Eigenschaften aufweisen, auch oberhalb der Raumtemperatur, ii) eine hohe Spinpolarisation der Ladunsträger am Fermi-Niveau haben und iii) strukturell verträglich mit Silizium sein. Mittels einer Vielzahl von theoretischen Untersuchungen konnte ich eine magnetische, metallische MnSi-Legierung, die epitaktisch auf Si aufgewachsen ist, als geeigneten Kandidaten für einen Spininjektor identifizieren. Dazu wurden Berechnungen im Rahmen der Dichtefunktionaltheorie mit der generalisierten Gradientennäherung (GGA-PBE) für das Austausch-Korrelationsfunktional und der full-potential augmented plane wave plus local orbital (FP-APW+lo) Methode verwendet, wie sie im WIEN2k Programmpacket implementiert ist. Im Sinne eines "computational materials design" Ansatzes wurden Morphologie, Stabilität sowie magnetische Eigenschaften von ultra-dünnen Filmen aus Mn-mono-silizid untersucht, die in Kontakt mit den niedrig-indizierten Siliziumoberflächen, Si(001) und Si(111), stehen. Das Hauptinteresse liegt darin, herauszufinden, ob magnetische Filme durch epitaktisches Wachstum auf Si-Substraten stabilisiert werden können. In der hier vorliegenden Arbeit werden die Eigenschaften magnetischer Filme behandelt, sowie deren Potential untersucht, als Spininjektoren eingesetzt zu werden. Des Weiteren werden Kriterien für die Ausbildung dünner Schichten und für die Inselbildung von Mangansilizid auf Si-Substraten mit einfachen physikalischen Modellen untersucht.