Nickelmonosilizid (NiSi) wird häufig zur Verbindung von Transistoren in Halbleiterschaltungen verwendet. Frühere theoretische Berechnungen hatten fälschlicherweise vorhergesagt, dass NiSi nicht magnetisch sei. Daher hatten Forscher den Magnetismus in NiSi nie vollständig erforscht.
Kürzlich haben Wissenschaftler jedoch die Neutronenstreuung genutzt, um eine schwer fassbare Form der magnetischen Ordnung in NiSi zu identifizieren. Die Forschung ist veröffentlicht im Tagebuch Fortgeschrittene Werkstoffe.
Der Magnetismus besteht aus magnetischen Spins (ein bisschen wie Kompassnadeln) benachbarter Nickelatome. Diese Spins sind hauptsächlich einander entgegengesetzt und weisen eine kleine kollektive Neigung in eine Richtung auf. Der Magnetismus bleibt bei Temperaturen deutlich über der Betriebstemperatur der Elektronik bestehen. Darüber hinaus kann dieser Magnetismus mit kleinen Magnetfeldern umgedreht werden.
Da NiSi in der Halbleiterindustrie häufig verwendet wird, ist es bereits mit der Chipherstellung kompatibel. Physiker nutzten Neutronenstreuung an der Spallation-Neutronenquelle, einer Nutzereinrichtung des Energieministeriums am Oak Ridge National Laboratory, um magnetische Ordnung in einkristallinem NiSi aufzudecken, die zuvor nicht bekannt war.
Die magnetische Ordnung ist hauptsächlich nicht zentrosymmetrisch (fehlende Inversionssymmetrie) und antiferromagnetisch (AFM), mit einer leichten Verkippung der Spins, was zu einer sehr kleinen unkompensierten Magnetisierung führt. Die Ordnung bleibt bis zu Temperaturen von mindestens 700 Kelvin bestehen – deutlich über den Betriebstemperaturen der Elektronik.
Die unkompensierte Magnetisierung kann durch kleine Magnetfelder vollständig umgeschaltet werden, und Magnetfelder können auch die zugrunde liegende AFM-Ordnung stören. Die unkompensierte Magnetisierung ist zwar gering, aber entscheidend für den beobachteten anomalen Hall-Effekt (Kopplung der magnetischen und elektronischen Eigenschaften), der für ein überwiegend AFM-Material bemerkenswert ist.
Die robuste magnetische Struktur und die Kopplung magnetisch-elektronischer Eigenschaften von NiSi bieten die Möglichkeit, NiSi für magnetische Speicheranwendungen zu verwenden. Das Forschungsteam wandte außerdem die Dichtefunktionaltheorie in Kombination mit der Korrekturmethode der Selbst-(Elektronen-)Wechselwirkung an (anstelle der lokalen Dichtenäherung), um den Ursprung des Magnetismus als Ergebnis der Hybridisierung zwischen Ni-3d-Orbitalen und Si-sp-Zuständen zu identifizieren.
Die Nutzung des neu entdeckten Magnetismus von NiSi in Halbleitern könnte zu schnelleren Computern und Computerspeichern führen. Der einzigartige Magnetismus in NiSi ist attraktiv, weil Elektronik, die Magnetismus zum Speichern und Verarbeiten von Daten nutzt, zuverlässig, schnell und klein ist. Das Ergebnis sind erhöhte Fähigkeiten bei geringeren Kosten. Die Arbeit unterstreicht auch den Bedarf an Verbesserungen bei der Anwendung konventioneller Modellierung durch Wissenschaftler auf bestimmte Materialien.
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Pousali Ghosh et al, NiSi: A New Venue for Antiferromagnetic Spintronics, Fortgeschrittene Werkstoffe (2023). DOI: 10.1002/adma.202302120