Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung von schaltbarem temporärem Magnetismus in oxidischen Materialien mittels elektrischer Felder

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von schaltbarem temporärem Magnetismus in oxidischen Materialien mittels elektrischer Felder.

In den letzten Jahren sind viele Untersuchungen an ferroelektrischen, ferromag- netischen und multiferroischen Materialien durchgeführt worden, z. B. an Nano- meter-Schichtsystemen, bestehend aus verschiedenen ferroischen (ferromagne- tischen, -elektrischen, -elastischen) Komponenten. Solche multiferroischen Materialien weisen eine Kopplung von unterschiedlichen ferroischen Eigenschaften

auf, mit denen eine Vielzahl verschiedener Anwendungen möglich wird, z. B. mikroelektromechanische Systeme (MEMS), piezoelektrische Mikrosensoren und -aktuatoren, Mikrowellen-Elektronik, ferroelektrische Speicher (FRAM), fer- roelektrische Feldeffekttransistoren, magnetoelektrische Umwandler usw. Die Kopplung von magnetischen und elektrischen Feldern ist somit nicht nur für grundlagenorientierte Untersuchungen, sondern auch aus technologischer Sicht für den großen Bereich der Magnetoelektronik und Spintronik von besonderem Interesse. Für die Spintronik, die unter anderem den Spinzustand von Elektronen als Informationsträger verwendet, ist insbesondere die Ausrichtung der Spins notwendig, die vorzugsweise extern durch Magnetfelder kontrolliert werden kann.

Es ist eine im Grunde ähnliche Vorrichtung und Anordnung zur Detektion von Röntgenstrahlung in der Druckschrift DE 10 2006 029 777 A1 beschrieben, wo- bei als wesentliches Element der Vorrichtung eine Anordnung mit einem Oxidkristall als oxidisches Material eingesetzt wird. Die Oxidkristallanordnung enthält einen Oxidkristall, der in Form einer planparallelen Platte ausgebildet ist und eine Dicke von etwa 500 μm aufweist. An den beiden gegenüberliegenden Plattenflächen des Oxidkristalls sind kontaktierende Elektroden angebracht, die aus metallisch leitenden Molybdän-Schichten mit einer Dicke von etwa 70 nm bestehen. Zwischen den beiden sich gegenüberliegenden Flächen des Oxidkristalls und den Molybdän-Elektroden befindet sich jeweils eine eingebrachte Borkarbid- Zwischenschicht mit einer Dicke von etwa 30 nm. An die Elektroden wird zur Beeinflussung der kristallinen Struktur in einer sich im Anodenbereich zwischen dem Oxidkristall und der zugehörigen Borkarbid-Zwischenschicht ausbildenden Wechselwirkungszone eine elektrische Gleichspannung in der Größenordnung bis zu einem Kilovolt angelegt. Das elektrische Leitverhalten kann durch einen in die Elektroden-Zuführungsleitungen eingebundenen Strommesser wiedergegeben werden, der insbesondere bei einer auf den Oxidkristall auftreffenden Rönt- genstrahlung das Ansteigen des elektrischen Stromes als Nachweis der einfallenden Röntgenstrahlung anzeigt. Als Oxidkristall wird zur Registrierung der einfallenden Röntgenstrahlen Strontiumtitanat - SrTiO ₃ - eingesetzt, das bei Raumtemperatur eine kubische Kristallsymmetrie aufweist.

Ein Problem besteht darin, dass mit dieser Anordnung kein Nachweis von Magnetismus und insbesondere einer Magnetisierung erfolgen kann.

Ein Verfahren zur Steuerung von Ferromagnetismus in einem magnetischen Halbleiter mittels eines elektrischen Feldes ist in der Druckschrift H. Ohno, D. Chiba, F. Matsukura, T. Omiya, E. Abe, T. Dietl, Y. Ohno, K. Ohtani: Electric- field control of ferromagnetism, Nature 408, S. 944-946 (2000) beschrieben, wobei das Schalten des loch-induzierten Ferromagnetismus des magnetischen Halbleiters (In ₁ Mn)As durch ein elektrisches Feld beschrieben ist. Dafür sind allerdings Temperaturen um 30 K notwendig.

Ein Problem besteht darin, dass mit dem beschriebenen Material kein Schalten des Magnetismus bei Raumtemperatur (300 K) möglich ist.

Darstellungen zu einem durch Leerstellen induzierten Ferromagnetismus in undotierten TϊO ₂ sind in der Druckschrift A. K. Rumaiz, B. Ali, A. Ceylan, M. Boggs, T. Beebe, S. I .Shah: Experimental studies on vacancy induced ferromagnetism in undoped TiO ₂ , Solid State Communications 144, S. 334-338 (2007) beschrie- ben, wobei der Ferromagnetismus im Oxidkristall TiO ₂ bei verschiedenen Modifikationen durch Einfügen von Sauerstoff-Leerstellen bei der Herstellung hervorgebracht werden kann. Dazu wird bei der Erzeugung des Ferromagnetismus der umgebende Sauerstoff-Partialdruck gezielt eingestellt.

Ein Problem besteht darin, dass derartig modifizierte Kristalle es nicht erlauben, nach der Herstellung den Ferromagnetismus für funktionelle Elemente gezielt zu steuern.

Ein Verfahren zur Erzeugung von auf Sauerstoff-Leerstellen basierendem Fer- romagnetismus ist in der Druckschrift Z. R. Xiao, G. Y. Guo, P. H. Lee, H. S. Hsu, J. C. A. Huang: Oxygen Vacancy Induced Ferromagnetism in V ₂ O _5-X , Journal of the Physical Society of Japan 77, S. 023706 (2008) beschrieben, wobei darin Berechnungen mit Hilfe der Dichtefunktionaltheorie zur Wirkung von Sau-

erstoff-Leerstellen in Vanadiumoxid V ₂ O ₅ durchgeführt werden. Es wird der theoretische Nachweis erbracht, dass Ferromagnetismus in diesem Oxidkristall möglich ist, wenn Sauerstoff-Leerstellen in einer gewissen Konzentration vorliegen.

Ein Problem besteht darin, dass die Diffusion von Sauerstoff-Leerstellen durch ein elektrisches Feld nicht vorgesehen ist.

Eine Untersuchung von Sauerstoff-Leerstellen-Clustern und einer Elektronen- Lokalisierung in Strontiumtitanat ist in der Druckschrift D. D. Cuong, B. Lee, K. M. Choi, H. -S. Ahn, S. Han, J. Lee: Oxygen Vacancy Clustering and Electron Localization in Oxygen-Deficient SrTiO ₃ - LDA + U Study, Physical Review Letters 98, S. 115503 (2007) beschrieben, wobei Berechnungen zur Kopplung bzw. Anordnung von Sauerstoff-Leerstellen in Strontiumtitanat vorgestellt werden. Darin wird gezeigt, dass auch im mehrkomponentigen System SrTiOs eine Ausbildung von Ferromagnetismus möglich ist.

Ein Problem besteht darin, dass allerdings keine konkreten Schlussfolgerungen für die Bildung oder Ausrichtung von magnetischen Momenten gezogen worden sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von schaltbarem temporärem Magnetismus in oxidischen Materialien mittels elektrischer Felder anzugeben, die derart geeignet ausgebildet sind, dass auch und insbesondere bei Raumtemperatur eine Messung des magnetischen Zustande, insbesondßre der Magnetisierung im potenzialbelasteten oxidischen Material gewährleistet wird, die damit zu einer Vielzahl makroskopischer Anwendungen führen kann.

Die Aufgabe wird mit den Merkmalen der Patentansprüche 1, 11 und 15 gelöst. In der Vorrichtung zur Erzeugung von schaltbarem temporärem Magnetismus in oxidischen Materialien mittels elektrischer Felder ist an zwei sich gegenüberliegenden Flächen des oxidischen Materials zumindest jeweils eine Elektrode an-

gebracht, wobei bei Anlegen einer elektrischen Potenzialdifferenz das oxidische Material von dem elektrischen Feld E überlagert wird und damit eine Oxidmaterialanordnung vorhanden ist, wobei Sauerstoff-Leerstellen, die im oxidischen Material bereits vorhanden sind, bei Anlegen des elektrischen Feldes E im oxidischen Material umverteilt werden und sich somit ein Gradient der Sauerstoff-Konzentration einstellt, was zu einem messbaren elektrischen Strom im oxidischen Material führt, wobei sich im Kathodenbereich zumindest unterhalb der kontaktierenden Oberfläche des oxidischen Materials eine Sauerstoff-Leerstellen-Zone mit erhöhter Sauerstoff-Leerstellen-Konzentration ausbildet, wobei sich gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 1 in der Sauerstoff-Leerstellen-Zone die Valenz der Kationen des oxidischen Materials reduziert, wenn die Sauerstoff-Leerstellen-Konzentration zunimmt und sich erhöht, wenn die Sauerstoff-Leerstellen-Konzentration abnimmt, wobei eine Reduktion der Valenz der Kationen im oxidischen Material magnetische Momente erzeugt, die entweder ungeordnet vorliegen, wodurch das oxidische Material paramagnetisch wird, oder untereinander koppeln, wodurch das oxidische Material dann entweder ferro-, ferri- oder antiferromagnetisch wird, und wobei unmittelbar außerhalb des Kathodenbereichs des oxidischen Materi- als und der Sauerstoff-Leerstellen-Zone zumindest eine Einrichtung zur Erfassung des sich in der Sauerstoff-Leerestellen-Zone durch das angelegte elektrische Feld E ausbildenden und registrierfähigen Magnetismus angeordnet ist.

Die Einrichtung zur Erfassung des sich in der Sauerstoff-Leerstellen-Zone durch das angelegte elektrische Feld E ausbildenden und registrierfähigen Magnetismus kann eine Sensoreinrichtung, einen Teil einer Speichereinrichtung oder einen Teil eines Schaltelements darstellen.

Zur Erhöhung der Sauerstoff-Leerstellen-Konzentration können positive Ionen ins Kristallgitter des oxidischen Materials eingebracht sein, wobei zur Verkürzung der Zeit der Erzeugung eines registrierfähigen Magnetismus die eingebrachten Ionen eine höhere Beweglichkeit oder höhere Diffusionskonstante aufweisen.

Zwischen den Elektroden und der zugehörigen Oberfläche des oxidischen Materials ist jeweils eine Zwischenschicht aus Borkarbid als Diffusionsbarriere angebracht.

Das elektrische Feld E bedingt die änderung der Valenz bestimmter Kationen im Kathodenbereich des oxidischen Materials, wodurch magnetische Momente und damit zumindest Paramagnetismus entstehen, wobei zusätzlich durch Austauschwechselwirkung eine regelmäßige Ausrichtung der magnetischen Mo- mente eine außerhalb des Kathoden bereichs messbare Magnetisierung M erzeugen kann, die mittels der auf Magnetismus reagierenden Einrichtung zur Erfassung des Magnetismus gemessen oder registriert wird. Die änderung der Valenz und die dadurch bedingte Erzeugung von magnetischen Momenten, die untereinander koppeln, können damit einen Ferro-, Ferri- oder Antiferromagne- tismus in dem oxidischen Material erzeugen.

Die als Sensoreinrichtung ausgebildete Einrichtung zur Erfassung des Magnetismus kann den magnetooptischen Kerreffekt ausnutzen, wobei eine Lichtquelle polarisiertes Licht ausstrahlt, das die gesamte Oxidmaterialanordnung, die aus dem oxidischen Material, den Elektroden, den Diffusionsbarrieren und der im oxidischen Material enthaltenden Sauerstoff-Leerstellen-Zone besteht, durchdringt, wobei das reflektierte Licht durch die in der Sauerstoff-Leerstellen-Zone vorhandene Magnetisierung örtsabhängig in Polarisation und Elliptizität verändert ist und wobei ein Detektor die Veränderungen ortsabhängig und damit die Magnetisierung M registriert.

Der im Stand der Technik beschriebene magnetooptische Kerreffekt gibt Zugang zum Magnetisierungsverhalten von verschiedenen Oxidmäteriaianordnun- gen, die neben dem dünnen oxidischen Material die angebrachte Elektrodenan- Ordnung enthält. Dieses zerstörungsfreie Verfahren arbeitet oberflächenseήsitiv in Reflexionsgeometrie, wobei aber der magnetooptische Faraday-Effekt dieselbe Messung der Magnetisierung M in Transmissionsgeometrie erlaubt.

Eine andere Einrichtung zur Erfassung des Magnetismus kann einen magnetischen Lesekopf darstellen, mit dem die Magnetisierung alternativ messbar ist. Der Lesekopf kann z. B. durch magnetische Induktion, durch einen magnetore- sistiven Effekt oder durch einen Riesenmagnetwiderstand (GMR) die magneti- sehe Information in der Oxidmaterialanordnung in eine Widerstandsänderung umwandeln, die dann gemessen wird.

Des Weiteren kann die Oxidmaterialanordnung in eine Spule zur Registrierung der Magnetisierung M, eingebracht sein, wobei die durch die Magnetisierung erzeugte magnetische Flussdichte B durch eine induzierte Spannung V in einem Voltmeter registriert wird. Dieser Aufbau erlaubt außerdem die Feststellung des magnetischen Zustandes des oxidischen Materials, wenn zwar magnetische Momente vorliegen, aber keine nach außen wirksame Magnetisierung, was im Falle des paramagnetischen Zustandes zutrifft. Eine entsprechende Feststellung kann durch Verändern eines extern angelegten Magnetfeldes und Auswerten der induzierten Spannung V erfolgen, da die magnetischen Momente im oxidischen Material mit dem externen Feld wechselwirken.

Als oxidisches Material können Oxidkristalle und Oxidkeramiken zumindest mit amorphen Anteilen eingesetzt werden. Beispielsweise können als oxidische Materialien Strontiumtitanat SrTiO _x , Titanoxid TiO _x und Vanadiumoxid VO _x , Zirkoniumoxid ZrO _x , Magnesiumoxid MgO _x , Zinkoxid ZnO _x , Zinnoxid SnO _x , Ceroxid CeO _x , Eisenoxid FeO _x , Cobaltoxid CoO _x , Wolframoxid WO _x , Lanthanmanganat LaMnO _x , Indiumselenoxid InSnO _x , Bariumtitanat BaTiO _x , Calciumcarbonat Ca- CO _x einsetzbar sein, wobei der Index x größer als Null und beliebig ist.

In dem Verfahren zur Erzeugung von schaltbarem temporärem Magnetismus in oxidischen Materialien mittels elektrischer Felder mit einer Vorrichtung nach Patentanspruch 1 werden gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 11 eine änderung der Valenz der Kationen, primär durch die räumliche Umverteilung von Sauerstoff-Leerstellen mittels eines dem oxidischen Material überlagerten elektrischen Feldes E, bei Raumtemperatur und gleichzeitig eine regelmäßi-

ge Ausrichtung der magnetischen Momente zu einer resultierenden Magnetisierung M durchgeführt.

Zur Erhöhung der Sauerstoff-Leerstellen-Konzentration können positive Ionen ins Kristallgitter des oxidischen Materials eingebracht werden, wobei zur Verkürzung der Zeit der Erzeugung eines registrierfähigen Magnetismus die eingebrachten Ionen eine höhere Beweglichkeit oder höhere Diffusionskonstante aufweisen.

Durch die Wirkung zusätzlicher elektromagnetischer Felder können weitere Sauerstoff-Leerstellen in der Sauerstoff-Leerstellen-Zone und somit weitere magnetische Momente generiert werden.

Durch Anlegen des elektrischen Feldes (E) von etwa 1000 V/mm kann die BiI- düng von Sauerstoff-Leerstellen in der Sauerstoff-Leerstellen-Zone (4) von etwa 10 μm Dicke erfolgen.

Unter Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 11 mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Anspruch 1 , können gemäß Anspruch 15 die durch ein elektrisches Feld E erzeugten magnetischen Momente an äußere magnetische Felder koppeln, womit die Magnetisierung M schaltbar wird, was für Funktionselemente eingesetzt werden kann.

Die Oxidmaterialanordnung kann in einem magnetischen Speicher mit zwei Zuständen eingesetzt werden, wobei das Schreiben durch einen Schreibkopf entfällt, wenn als Zustand „0" das Vorhandensein beliebig ausgerichteter magnetischer Momente definiert wird und Zustand „1" das Fehlen dieser magnetischen Momente darstellt, wobei das Schreiben dann durch An- und Abschalten des elektrischen Feldes E und das Auslesen auf magnetischem Wege geschieht.

Die Oxidmaterialanordnung kann aber auch in einem magnetischen Speicher mit drei Zuständen eingesetzt werden, wobei bei anliegendem elektrischem Feld

E die magnetischen Momente in der Sauerstoff-Leerstellen-Zone durch Anlegen eines externen Magnetfeldes zur konventionellen magnetischen Datenspeicherung verwendet werden, wobei das Auslesen des magnetischen Speichers wahlweise durch den magnetooptische Effekte oder konventionelle magnetische Leseköpfe erfolgt.

Des Weiteren kann die Oxidmaterialanordnung mit einem oxidischen Material in einem magnetisch speichernden Röntgendetektor als Sensoreinrichtung eingesetzt wird, wobei die auftreffenden Röntgenstrahlen punktuell zusätzliche mag- netische Momente erzeugen, wobei mittels magnetooptischer Effekte oder magnetischer Leseköpfe dann Intensität und räumliche Verteilung der Röntgenstrahlung registriert werden, indem die Magnetisierung M ortsabhängig in der Sauerstoff-Leerstellen-Zone gemessen wird, wodurch die Intensität der eingefallenen Röntgenstrahlung messbar ist.

In einer weiteren Variante der Oxidmaterialanordnung kann sie mit einem oxidischen Material in einer magnetischen Positioniereinheit oder einem Magnetventil oder -Schalter eingesetzt werden, wobei oberhalb des kontaktierten oxidischen Materials eine magnetisierbare Platte elastisch gelagert angebracht ist, wobei die im oxidischen Material durch ein externes elektrisches Feld E erzeugten magnetischen Momente mit den magnetischen Momenten in der magneti- sierbaren Platte wechselwirken und so eine anziehende Kraft F auf die magnetisierbare Platte erzeugen, die sich dadurch nach unten bewegt oder bei Abschalten des elektrischen Feldes E wieder nach oben, womit die DUrchflussge- schwindigkeit/-rate von Gasen und Flüssigkeiten steuerbar sind.

Außerdem kann die Oxidmaterialanordnung mit einem oxidischen Material für ein Kristallwachstum auf magnetischen Substraten eingesetzt werden, wobei durch ein externes Magnetfeld die im oxidischen Material statistisch verteilten magnetischen Momente vorgegeben ausgerichtet werden, wobei bei Abscheidung einer weiteren magnetisierbaren Schicht sowohl die Kristallstruktur durch epitaktisches Wachstum als auch die magnetische Struktur gezielt weitergege-

ben werden und nach der Beschichtung das Substrat durch Abschalten oder Umpolen des elektrischen Feldes E seine Magnetisierung M verliert.

Die Erfindung wird mittels Ausführungsbeispielen anhand von mehreren Zeich- nungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Aufbau einer Vorrichtung zur Erzeugung von schaltbarem temporärem Magnetismus in oxidischen Materialien mit- tels elektrischer Felder mit einem oxidischen Material in Form einer

Oxidmaterialanordnung im Querschnitt und einer Einrichtung zur Erfassung des Magnetismus in Form einer Sensoreinrichtung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Vorrichtung eines potenzialbelas- teten oxidischen Materials in einer Oxidmaterialanordnung mit überlagertem elektrischen Feld mit einer umgebenden Spule zur Registrierung der Magnetisierung durch Messung der in der Spule induzierten Spannung,

Fig. 3 das innere Fuhktionsprinzip in dem oxidischen Material, insbesondere in dessen Kathoden bereich, wobei

Fig. 3a das oxidische Material mit einer geringen Anzahl auf Fehlstellen basierender unregelmäßig angeordneter magnetischer Momente, die insgesamt ein unmagnetisiertes (nicht magne- tisch geordnetes) oxidisches Material festlegen,

Fig. 3b die Oxidmaterialanordnung mit zusätzlichen durch das elektrische Feld erzeugten koppelnden magnetischen Momenten und einer daraus resultierenden Magnetisierung und Fig. 3c die Oxidmaterialanordnung unter dem Einfluss von Röntgen- Strahlung und Erzeugung weiterer magnetischer Momente zur

Erhöhung der Magnetisierung zeigen,

Fig. 4 eine schematische Darstellung der änderung der Titan-Valenz im SrTiθ ₃ -Kristallkörper, wobei Fig. 4a die Besetzung der äußeren Elektronenschalen eines freien

Titan-Atoms, Fig. 4b die Besetzung der äußeren Elektronenschalen eines vierfach positiv geladenen Titan-Ions in Oktaeder-Koordination in einem Strontiumtitanat-Festkörper,

Fig. 4c die Besetzung der äußeren Elektronenschalen eines dreifach positiv geladenen Titan-Ions in Tetraeder-Koordination im Strontiumtitanat-Festkörper und

Fig. 4d die Besetzung der äußeren Elektronenschalen eines dreifach positiv geladenen Titan-Ions in Tetraeder-Koordination im Strontiumtitanat-Festkörper mit einem kristallinternen Wasserstoffatom zeigen,

Fig. 5 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Einrichtung zur Erfassung des Magnetismus in Form einer rfiagnetischen Speicherzelle mit zwei Zuständen,

Fig. 6 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Einrichtung zur Erfassung des Magnetismus in Form einer magnetischen Speicherzelle mit drei Zuständen,

Fig. 7 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Einrichtung zur Erfassung des Magnetismus in Form eines magnetisch registrierenden Röntgendetektors und

Fig. 8 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Einrichtung zur Erfassung des Magnetismus in Form einer magnetischen Positioniereinheit oder eines Magnetventils.

Im Folgenden werden die Fig. 1 und Fig. 3b und 3c gemeinsam betrachtet.

In der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung 10 zur Erzeugung von schältbarem temporärem Magnetismus in oxidischen Materialien 1 mittels eines elektrischen Feldes E ist an zwei sich gegenüberliegenden Flächen 11, 12 des oxidischen Materials 1 zumindest jeweils eine Elektrode 21 , 22 angebracht, wobei bei AnIe- gen einer elektrischen Potenzialdifferenz das oxidische Material 1 von dem e- lektrisches Feld E überlagert wird und damit eine Oxidmaterialanordnung 13 vorhanden ist, wobei sich im Kathoden bereich 14 des oxidischen Materials 1 zumindest unterhalb der kontaktierenden Oberfläche 11 des oxidischen Materials 1 eine Sauer- stoff-Leerstellen-Zone 4 ausbildet, und wobei die Sauerstoff-Leerstellen zu einem Strom im oxidischen Material 1 führen.

Erfindungsgemäß ist unmittelbar außerhalb des Kathodenbereichs 14 des oxidi- sehen Materials 1 und der Sauerstoff-Leerstellen-Zone 4 zumindest eine Einrichtung 15, 20 zur Erfassung des Magnetismus des sich in der Sauerstoff- Leerstellen-Zone 4 durch das angelegte elektrische Feld E ausbildenden und registrierfähigen Magnetismus angeordnet ist, wobei eine änderung der Valenz der Kationen des oxidischen Materials 1 in der Sauerstoff-Leerstellen-Zone 4 magnetischen Momente 19 hervorbringt, die zumindest Paramagnetismus bedingen oder auch untereinander koppeln und damit einen sich außerhalb des oxidischen Materials 1 ausbreitenden Ferro-, Ferri- oder Antiferromagnetismus erzeugen und wobei die änderung der Valenz von Kationen in der Sauerstoff-Leerstellen-Zone 4 durch eine räumliche Umverteilung von Sauerstoff-Leerstellen im oxidischen Material 1 entsteht.

Die Einrichtung 15, 20 zur Erfassung des sich in der Sauerstoff-Leerstellen- Zone 4 durch das angelegte elektrische Feld E ausbildenden und registrierfähi- gen Magnetismus kann eine Sensoreinrichtung, einen Teil einer Speichereinrichtung oder einen Teil eines Schaltelements darstellen.

Die Sauerstoff-Leerstellen-Zone 4 stellt eine Zone verringerter Sauerstoff- Konzentration dar, womit in dieser Zone die Konzentration der Sauerstoff- Leerstellen erhöht ist und ein Sauerstόffdefizit herrscht. Des Weiteren kann in dieser Zone ein Konzentrationsgradient senkrecht zur Oberfläche vorliegen.

Zwischen den Elektroden 21 , 22 und der zugehörigen Oberfläche 11 , 12 des oxidischen Materials 1 kann jeweils eine Zwischenschicht 31, 32 aus Borkarbid als Diffusionsbarriere angebracht sein.

Die änderung der Valenz bestimmter Kationen im Kathodenbereich 14 des oxidischen Materials 1 führt zur Erzeugung von magnetischen Momenten, wodurch das oxidische Material zunächst paramagnetisch wird. Koppeln die magnetischen Momente untereinander, können sie damit Ferro-, Ferri- oder Antiferro- magnetismus in dem oxidischen Material 1 erzeugen.

Das in Fig. 1 dargestellte oxidische Material 1 ist an seiner Oberseite 11 und seiner Unterseite 12 mit den Elektroden 21 , 22 versehen, die aber durch die Diffusionsbarrieren 31, 32 vom oxidischen Material 1 selbst getrennt sind. In der dünnen Sauerstoff-Leerstellen-Zone 4 im Kathoden bereich zur Oberfläche 11 des oxidischen Materials 1 kommt es durch Anlegen einer elektrischen Spannung mittels einer Energieversorgungseinheit 5 und damit des elektrischen Feldes E zu strukturellen änderungen. Das elektrische Feld E bewirkt unter anderem die Entstehung magnetischer Momente 19, welche sich gekoppelt ausrichten und damit eine Magnetisierung M, die z. B. mittels der auf Magnetisierung reagierenden Sensoreinrichtung 15, 20 gemessen bzw. registriert werden kann.

Die Einrichtung zur Erfassung des Magnetismus in Form einer Sensoreinrichtung 15 kann den magnetooptischen Kerreffekt ausnutzen. Dazu strahlt eine Lichtquelle, vorzugsweise ein Laser 6, polarisiertes Licht 7 aus, das die gesamte Oxidmaterialanordnung 13, die aus dem oxidischen Material 1 , den Elektroden 21, 22, den Diffusionsbarrieren 31 , 32 und der im oxidischen Material 1 enthaltenen Sauerstoff-Leerstellen-Zone 4 besteht, durchdringt. Das reflektierte Licht 8 ist durch die in der Sauerstoff-Leerstellen-Zone 4 vorhandene Magnetisierung M

ortsabhängig in Polarisation und Elliptizität verändert. Ein Detektor 9 kann diese Veränderungen ortsabhängig und damit die Magnetisierung M registrieren.

Eine andere in Fig. 1 gezeigte Einrichtung zur Erfassung des Magnetismus 20 kann einen magnetischen Lesekopf darstellen, mit dem die Magnetisierung M alternativ messbar ist. Der Lesekopf 20 kann z. B. durch magnetische Induktion, durch einen magnetoresistiven Effekt oder durch einen Riesenmagnetwider- stand die magnetische Information in der Oxidmaterialänordnung 13 in eine Widerstandsänderung umwandeln, die dann gemessen wird.

Alternativ kann, wie in Fig. 2 gezeigt ist, die Oxidmaterialanordnung 13 in eine Spule 16 zur Registrierung der Magnetisierung M, eingebracht sein, wobei die durch die Magnetisierung erzeugte magnetische Flussdichte B eine Spannung V induziert, die in einem Voltmeter 17 registriert werden kann.

In den Fig. 3 werden das innere, auf die Erfindung bezogene Funktionsprinzip in dem oxidischen Material 1 , insbesondere in dessen Sauerstoff-Leerstellen-Zone 4 im Kathodenbereich 14 der Oxidmaterialanordnung 13 dargestellt, wobei in Fig. 3a zum Vergleich das ohne angelegtes elektrisches Feld angegebene oxi- dische Material 1 mit auf vereinzelt existierenden Sauerstoff-Leerstellen basierenden unregelmäßig angeordneten magnetischen Momenten 19, die insgesamt ein unmagnetisiertes oxidisches Material 1 festlegen, gezeigt wird. Die Fig. 3b zeigt einen Teil der Oxidmaterialanordnung 13 mit zusätzlich durch das angelegte elektrische Feld entstandenen, weiteren magnetischen Momen- ten 19 und deren regelmäßige Ausrichtung, die zur Magnetisierung M _E führt. In der in Fig. 3b dargestellten Sauerstoff-Leerstellen-Zone 4 des oxidischen Materials 1 wird das Gitter der Sauerstoff-Atome 18 durch Anlegen des elektrischen Feldes E gestört. Nahe den Sauerstoff-Leerstellen kann sich die Valenz der angrenzenden Kationen des oxidischen Materials 1 ändern, wodurch an diesen Stellen die zusätzlichen magnetischen Momente 19 entstehen, die sich verglichen mit dem Ausgangszustand in Fig. 3a zu einer resultierenden Magnetisierung ME addieren.

In Fig. 3c wird der gleiche Teil der Oxidmaterialanordnung 13 unter dem zusätzlichen Einfluss von Röntgenstrahlung 23 und damit die Erzeugung weiterer magnetischer Momente 19 zur Erhöhung der Magnetisierung MER gezeigt, wobei das angelegte elektrische Feld E konstant bleiben soll.

Als oxidisches Material 1 kann ein Einkristall aus ßtrontiumtitanat SrTiO ₃ eingesetzt sein, der mit den Elektroden 21, 22 aus Wolfram versehen ist. Der Einkristall aus Strontiumtitanat SrTiO ₃ weist in (100)-Orientierung die Abmaße 10 x 10 x 0,5 mm auf, wobei die Dicke 0,5 mm beträgt. Der Einkristall 1 wird beidseitig mit Diffusionsbarrieren 31 , 32 aus Borkarbid B ₄ C von 30 nm Dicke und den Wolfram-Elektroden 21, 22 von 70 nm Dicke beschichtet. Durch Anlegen eines elektrischen Feldes E von 1000 V/mm erfolgt durch den Transport einzelner Sauerstoff-Atome die zusätzliche Ausbildung von Sauerstoff- Leerstellen in der Sauerstoff-Leerstellen-Zone 4 von etwa 10 μm Dicke. Dies lässt sich durch eine änderung der mittleren Titan-Valenz von Ti ⁴⁺ nach Ti ³⁺ bei erhöhter Sauerstoff-Leerstellen-Konzentration in der Sauerstoff-Leerstelleπ- Zone 4 registrieren. Abschalten oder Umpolen des elektrischen Feldes E führt dazu, dass die Sauerstoff-Leerstellen-Konzentration wieder abnimmt und insbesondere die mittlere Titan-Valenz von Ti ³⁺ nach Ti ⁴⁺ wechselt.

Weitere Beispiele für derart geeignete öxidische Materialien können neben Strontiumtitanat SrTiO _x auch Titanoxid TiO _x und Vanadiumoxid VO _x , Zirkoniumoxid ZrO _x , Magnesiumoxid MgO _x , Zinkoxid ZnO _x , Zinnoxid SnO _x , Ceroxid CeO _x , Eisenoxid FeO _x , Cobaltoxid CoO _x , Wolframoxid WO _x , Lanthanmanganat LaMnO _x , Indiumselenoxid InSnO _x , Bäriumtitanat BaTiO _x , Calciumcarbonat Ca- CO _x sein, wobei der Index x größer als Null und beliebig ist. Diese chemischen Verbindungen können sowohl in kristalliner als auch in partiellkristalliner oder amorpher Form (Oxidkeramiken) enthalten sein.

In den Fig. 4 mit Fig _; 4a, Fig. 4b, Fig. 4c ist zur Erklärung der Kationen-Anionen- Beziehungen jeweils ein Titan-Atom mit verschiedenen Umgebungen und die zugehörige Besetzung der äußeren Elektronenschalen 4s und 3d dargestellt. Fig. 4a zeigt ein freies Titan-Atom, das keine Elektronen für die Bindung abge-

geben hat. In Fig. 4b ist die Oktaeder-Koordination des Titan-Atoms im Stronti- umtitanat SrTiOs durch sechs Sauerstoff-Atome dargestellt, wodurch Titan im Zustand Ti ⁴⁺ vorliegt. Wird, wie in Fig. 4c gezeigt, eines der Sauerstoff-Atome entfernt und durch eine Sauerstoff-Leerstelle ersetzt, ändert sich dieser Zustand zu Ti ³⁺ und die 3d-Schale enthält ein Elektron. Demgemäß existiert nun wegen des Gesamtdrehimpulses J ≠ 0 ein magnetisches Moment. Liegt eine Vielzahl von Sauerstoff-Leerstellen vor, so existiert damit gleichzeitig eine Vielzahl von magnetischen Momenten, die durch Austauschwechselwirkung über die angrenzenden Sauerstoff-Atome oder Sauerstoff-Leerstellen ferro-, ferri- oder anti- ferromagnetisch koppeln und so eine resultierende Magnetisierung erzeugen.

Durch den Wechsel von Ti ⁴⁺ zu Ti ³⁺ bleibt ein Elektron ungepaart, wodurch ejn magnetisches Moment für dieses Atom resultiert, wie in den Fig. 4b und 4c gezeigt ist. Dieses magnetische Moment kann dann mit anderen koppeln, wodurch ein resultierender Magnetismus bei Anlegen eines elektrischen Feldes ausgebildet werden kann.

Der Vorzug von eingebrachten positiven Ionen, wie z. B. Wasserstoff-Ionen, die ein Sauerstoff-Ion binden, wie auch in Fig. 4d gezeigt ist, ist deren höhere Be- weglichkeit im Kristallgitter verglichen mit den Sauerstoff-Leerstellen. Bei Anwesenheit von Wasserstoff werden dann. OH-Komplexe gebildet, die ebenso wie Sauerstoff-Leerstellen wirken, d. h. die Valenz von Titan von Ti ⁴⁺ zu Ti ³⁺ ändern. Dadurch kann der Magnetismus schneller geschalten werden - die Schaltzeit ist dabei abhängig von Beweglichkeit bzw. Diffusionskonstante der eingebrachten Ionen und deren Anzahl. Zudem kann die notwendige elektrische Feldstärke verringert und die Stärke des erzeugten resultierenden Magnetismus vergrößert werden. Die genannten positiven Eigenschaften sind abhängig von Art und Anzahl der positiven Ionen. Entscheidend für die Auswahl einer lonensorte ist die Diffusionskonstante der positiven Fremd-Ionen im oxidischen Material.

Die Fremd-Ionen können in das oxidische Material auf verschiedenen Wegen eingebracht werden.

Bei Einsatz einer porösen Elektrode, d. h. die für die zu verwendende Fremd- lonensorte durchlässig ist, können die Fremd-Ionen direkt von außen in Lösung oder in Molekülen gebunden aufgebracht werden. Getrieben vom angelegten elektrischen Feld werden die Moleküle gespalten und die Fremd-Ionen dringen ins oxidische Material ein. Beispielsweise ist es für Wasserstoff-Ionen ausreichend, Wasser aus der Luft (Luftfeuchtigkeit), das an der Probe bereits vorhanden ist, im elektrischen Feld durch Elektrolyse zu spalten, wodurch der Sauerstoff entweicht und der Wasserstoff ins oxidische Material eindringen kann. Wasserstoff-Ionen können zudem durch Anätzen der Oberfläche mit einer Säure in das oxidische Material gelangen.

Alternativ und für den Fall dichter Elektroden, kann die gewünschte Fremd- lonensorte vor den Elektroden auf das oxidische Material aufgebracht oder in das oxidische Material eingebracht werden. Das Einbringen kann dabei z. B. durch Erwärmen in einer entsprechenden Atmosphäre geschehen.

Für den Fall von Wasserstoff in Strontiumfitanat beträgt die Diffusionskonstante bei 1000 K etwa 3,8 x 10 ^~5 cm ² /s, die in der Druckschrift R. Waser: Diffusion of Hydrogen Defects in BATiθ3-Ceramics and SrTiO ₃ Single Cystals, Ber. Bunsen- ges. Phys. Chem. 90 (1986), S. 1223-1230 angegeben ist. Im Vergleich dazu ist die Diffusionskonstante von Sauerstoff bei dieser Temperatur mit 4,7 x 10 ^~12 cm ² /s, wie sie in der Druckschrift A.E. Paladino, L.G. Rubin, J. S. Waugh: Oxygen ion diffusion in Single crystal SrTiO ₃ , Journal of Physics and Chemistry of Solids 26 (1965), S. 391-397 angegeben ist, wesentlich geringer. übertragen auf die Diffusionskonstanten bei Raumtemperatur kann von einem ähnlich großen Unterschied ausgegangen werden, so dass die Beweglichkeit des Wasserstoffs in Strontiumtitanat einige Größenordnungen über der des Sauerstoffs liegt, so dass schon bei wenigen Wasserstoff-Ionen messbare Auswirkungen vorhanden sind. Bei ausreichender Beladung des Strontiumtitanat- Substrats mit Wasserstoff wird demzufolge eine Verkürzung der Schaltzeiten des Magnetismus zumindest yon einer Größenordnung erreicht

Dadurch kann, wie in Fig. 5 gezeigt ist, in einem ersten Anwendungsbeispiel der Vorrichtung und des Verfahrens ein magnetischer Speicher mit zwei Zuständen

angegeben werden. Ohne angelegtes elektrisches Feld E existiert nur eine geringe Anzahl von unregelmäßig angeordneten magnetischen Momenten; somit tritt keine Magnetisierung auf. Wird das elektrische Feld E eingeschaltet, so werden zusätzliche magnetische Momente erzeugt, die durch Wechselwirkung miteinander eine resultierende Magnetisierung M ergeben. Dies kann zur konventionellen magnetischen Datenspeicherung verwendet werden, wenn als Zustand „0" das Vorhandensein einer beliebigen Magnetisierung M definiert wird und als Zustand „1" das Fehlen jeglicher Magnetisierung M. Das Schreiben wird dann durch An- und Abschalten des elektrischen Feldes E geschehen und das Auslesen des magnetischen Speichers kann wie oben beschrieben, durch den magnetooptischen Kerreffekt oder konventionelle magnetische Leseköpfe 18 erfolgen. Eine magnetische Flussdichte B könnte jeweils beliebig orientiert sein, ist jedoch nicht erforderlich.

In einem in Fig. 6 gezeigten zweiten Anwendungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem magnetischen Speicher mit drei Zuständen kann zunächst wie zuvor vorgegangen werden. Der magnetisierte Zustand wird hier allerdings unterteilt und ein beispielsweise nach unten ausgerichtetes magnetisches Moment definiert dann den Zustand „0" und ein nach oben ausgerichtetes den Zustand „1". Diese Information kann durch eine magnetische Flussdichte B beispielsweise durch einen konventionellen magnetischen Schreibkopf gesetzt werden. Wird das elektrische Feld E abgeschaltet, gehen alle gespeicherten Informationen verloren, was zum einen als Löschfunktion eingesetzt werden kann, aber zum anderen auch einen dritten Zustand repräsentiert. Der dritte Zu- stand „2" wird dann durch Fehlen jeglicher Magnetisierung M definiert. Das Auslesen des magnetischen Speichers kann wie oben beschrieben, durch den magnetooptischen Kerreffekt oder konventionelle magnetische Leseköpfe 18 erfolgen.

FQr die Zustände „0" und „1" muss ein elektrisches Feld E angelegt sein. Die Ausrichtung der Magnetisierung M wird durch eine magnetische Flussdichte B geschrieben und kann anschließend ausgelesen werden. Eine nach unten ausgerichtete Magnetisierung repräsentiert dabei den Zustand „0" und eine nach

oben ausgerichtete den Zustand „1". Die Richtung des elektrischen Feldes E wird dabei nicht geändert. Wird das elektrische Feld E abgeschaltet, geht die magnetische Information verloren und die Magnetisierung verschwindet, was als Zustand „2" ausgelesen werden kann. Eine beliebige magnetische Flussdichte B hat auf Zustand „2" keinen Einfluss.

In einem dritten Anwendungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem magnetisch speichernden Röntgendetektor 20 kann, wie in Fig. 7 gezeigt ist, die erfindungsgemäße Oxidmaterialanordnung gemäß der im Stand der Technik genannten Druckschrift DE 102006029777 A1 , aber mit umgekehrter Polung des angelegten elektrischen Feldes E eingesetzt werden, wobei die Röntgenstrahlen in bestimmten oxidischen Materialien 2 strukturelle änderungen verursachen. Die Wirkung der Röntgenstrahlung kann erfindungsgemäß mit der Erzeugung magnetischer Momente einhergehen, die dann wie oben be- schrieben registrierbar sind. Damit ergibt sich ein ortsauflösender Röntgendetektor 20, dessen Abmessungen von der Größe des verwendeten oxidischen Materials 2 abhängen.

Die auftreffende Röntgenstrahlung 23 erzeugt punktuell zusätzliche magneti- sehe Momente 24 im zweiten oxidischen Material 2. Mittels magnetooptischer Effekte oder magnetischer Leseköpfe können dann Intensität und räumliche Verteilung der auftreffenden Röntgenstrahlung 23 rekonstruiert werden, indem die Verteilung der Magnetisierung M mit einem Detektor 20 punktweise und ortsabhängig in der Sauerstoff-Leerstellen-Zone 4 gemessen wird.

In einem vierten Anwendungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer magnetischen Positioniereinheit 25 oder eines Magnetventils bzw. -Schalters, wie in Fig. 8 gezeigt, wird über dem kontaktierten dritten oxidischen Material 3 eine magnetisierbare Platte 26 z. B. auf Federn 27 elastisch gelagert angebracht. Die im dritten oxidischen Material 3 durch ein externes elektrisches Feld E erzeugten magnetischen Momente erzeugen ihrerseits eine magnetische Flussdichte B, welche die magnetischen Momente in der Platte 26 ausrichtet und somit eine anziehende Kraft F auf die magnetisierbare Platte 26 ausübt, die

sich dadurch nach unten bewegt bzw. bei Abschalten des elektrischen Feldes E wieder nach oben. Die Magnetisierung des oxidischen Materials 3 kann entweder in Richtung Mi oder M ₂ erfolgen, wodurch eine entsprechende Magnetisierung in der magnetisierbaren Platte 26 entsteht. Auf diese Weise kann das an- gelegte elektrische Feld E zur eindimensionalen Positionierung der Platte 26 genutzt werden. Weiterhin kann die Größe des Hohlraums zwischen dem dritten oxidischen Material 3 und der magnetisierbaren Platte 26 gezielt eingestellt werden. Damit wird die Größe des Hohlraums zwischen Platte 26 und drittem oxidischen Material 3 und so die Durchflussgeschwindigkeit/-rate von durch- strömenden Gasen oder Flüssigkeiten steuerbar. Zusätzlich kann diese Positioniereinheit 25 auch als Magnetventil oder -Schalter eingesetzt werden.

Die zweiten und dritten oxidischen Materialien 2 und 3 können sich wie das erste oxidische Material 1 in einer Oxidmaterialanordnung 13 befinden.

In einem fünften Anwendungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die erfindungsgemäße Oxidmaterialanordnung 13 für ein Kristallwachstum auf magnetischen Substraten eingesetzt werden. Durch ein externes Magnetfeld werden die im oxidischen Materials 1 statistisch verteilten magnetischen Mo- mente ausgerichtet, z. B. senkrecht zur Schichtebene. Wird nun eine weitere magnetisierbare Schicht abgeschieden, kann sowohl die Kristallstruktur durch epitaktisches Wachstum als auch die magnetische Struktur gezielt weitergegeben werden. Nach der Abscheidung kann durch Abschalten des elektrischen Feldes E die Magnetisierung des Substrats entfernt werden.

Bezugszeichenliste

1 Erstes oxidisches Material

2 Zweites oxidisches Material 3 Drittes oxidisches Material

4 Sauerstoff-Leerstellen-Zone

5 Energieversorgungseinheit

6 Laser

7 Einfallendes polarisiertes Licht 8 Reflektiertes Licht

9 Detektor

10 Vorrichtung

11 Erste Oberfläche

12 Zweite Oberfläche 13 Oxidmaterialanordnung

14 Kathodenbereich

15 Einrichtung zur Erfassung des Magnetismus

16 Spule

17 Voltmeter 18 Sauerstoff-Atom

19 Magnetisches Moment

20 Sensoreinrichtung

21 Kathode

22 Anode 23 Röntgenstrahlen

24 Magnetische Momente

25 Positioniereinheit

26 Magnetisierbare Platte

27 Federn 31 Erste Diffusionsbarriere

32 Zweite Diffusionsbarriere

B Magnetflussdichte

M Magnetisierung

E Elektrisches Feld

F Kraft

V induzierte Spannung