Open Access

Thomas Kurz

• Die heutige Miniaturisierung elektronischer Bauteile wirft die Frage auf, was passiert, wenn ihre Größenordnungen molekulare Skalen erreichen. Eine Möglichkeit der Untersuchung dieses Bereichs stellen mesoporöse Silikate dar, die eine Einlagerung der interessierenden Materialien erlauben und auf diese Art eine obere Schranke der Ausdehnung des zu untersuchenden Systems vorgeben. Diese beträgt einige Nanometer, ein Bereich, in dem bereits mehr als nur einzelne Atome oder Moleküle vorliegen, der aber andererseits noch klein genug ist, um Quantisierungseffekte beobachten zu können. Diese Arbeit untersucht sowohl verdünnte als auch nicht-verdünnte magnetische (II:Mn)VI Halbleiter mit variierter Mn-Konzentration in mesoporösen MCM® Strukturen. Ihre Dimension ist künstlich auf 3, 6 und 9 nm beschränkt. Ihre magnetischen Eigenschaften wurden mittels SQUID und Elektronspinresonanz-Messungen untersucht. Dabei zeigt sich, dass sich die dimensionsreduzierten Systeme erst ab einer Ausdehnung vonDie heutige Miniaturisierung elektronischer Bauteile wirft die Frage auf, was passiert, wenn ihre Größenordnungen molekulare Skalen erreichen. Eine Möglichkeit der Untersuchung dieses Bereichs stellen mesoporöse Silikate dar, die eine Einlagerung der interessierenden Materialien erlauben und auf diese Art eine obere Schranke der Ausdehnung des zu untersuchenden Systems vorgeben. Diese beträgt einige Nanometer, ein Bereich, in dem bereits mehr als nur einzelne Atome oder Moleküle vorliegen, der aber andererseits noch klein genug ist, um Quantisierungseffekte beobachten zu können. Diese Arbeit untersucht sowohl verdünnte als auch nicht-verdünnte magnetische (II:Mn)VI Halbleiter mit variierter Mn-Konzentration in mesoporösen MCM® Strukturen. Ihre Dimension ist künstlich auf 3, 6 und 9 nm beschränkt. Ihre magnetischen Eigenschaften wurden mittels SQUID und Elektronspinresonanz-Messungen untersucht. Dabei zeigt sich, dass sich die dimensionsreduzierten Systeme erst ab einer Ausdehnung von etwa 5 nm Volumen-artig, d.h. ähnlich wie die entsprechenden Bulk-Systeme, verhalten. Unterhalb dieser Grenze bilden die Nanopartikel quasi einen eindimensionalen "Spin-Draht", wobei jedes Partikel nur wenige magnetische Ionen enthält. Dies führt zu direkt beobachtbaren Effekten wie einer Reduktion des Curie-Weiss-Parameters in der Suszeptibilität oder der Unterdrückung langreichweitiger magnetischer Ordnung. Ausgehend von den zugehörigen Bulk-Systemen werden Modelle entwickelt, die die Ergebnisse (wie insbesondere Suszeptibilität und ESR-Linienbreite) beschreiben. Die reduzierte Anzahl nächster magnetischer Nachbarn an der Oberfläche der Partikel führt dabei zu einer reduzierten effektiven Austausch-Wechselwirkung. Wie sich das System dann insgesamt verhält, hängt vom Verhältnis zwischen Oberfläche und Volumen der Partikel ab, welches umso größer wird, je kleiner die Dimension wird. Bei Unterschreiten einer "kritischen Masse" reicht die Anzahl magnetischer Ionen nicht mehr aus, um die in Bulk beobachteten Eigenschaften, wie langreichweitige antiferromagnetische Ordnung, ausprägen zu können – die Ordnung bleibt aus, das System bleibt paramagnetisch bis zu tiefen Temperaturen.…
• Today's electronic miniaturization brings up the question of what happens when a molecular scale is reached. Using mesoporous silica is one way to analyze this region as it allows the implantation of materials of interest and in this manner indicates the upper limit of the system's extent to a few nanometers. In this range one already deals with more than mere isolated atoms or molecules. Yet it is small enough to expect quantum effects. This research concentrates on both dilute and non-dilute magnetic (II:Mn)VI semiconductors with varying Mn concentration, implanted into mesoporous MCM® silica structures. A controlled restriction of their dimensions to 3, 6 and 9 nm has been realized. The magnetic properties have been analyzed using SQUID and electron spin resonance techniques. It is proven that a critical dimension of about 5 nm exists required for a magnetic system to behave bulk-like. Below this limit, the nano particles form a quasi one dimensional "spin wire" with each particleToday's electronic miniaturization brings up the question of what happens when a molecular scale is reached. Using mesoporous silica is one way to analyze this region as it allows the implantation of materials of interest and in this manner indicates the upper limit of the system's extent to a few nanometers. In this range one already deals with more than mere isolated atoms or molecules. Yet it is small enough to expect quantum effects. This research concentrates on both dilute and non-dilute magnetic (II:Mn)VI semiconductors with varying Mn concentration, implanted into mesoporous MCM® silica structures. A controlled restriction of their dimensions to 3, 6 and 9 nm has been realized. The magnetic properties have been analyzed using SQUID and electron spin resonance techniques. It is proven that a critical dimension of about 5 nm exists required for a magnetic system to behave bulk-like. Below this limit, the nano particles form a quasi one dimensional "spin wire" with each particle containing only few magnetic ions. The consequences are directly observable effects such as reduction of the Weiss parameter in susceptibility or suppression of long range magnetic order. Starting from the appropriate bulk samples, models have been developed to describe the data (in particular susceptibility and line width). The reduced number of nearest magnetic neighbors on the particles' surface leads to an effectively reduced exchange interaction. The behavior of the systems depends on its ratio of surface and volume. The smaller the dimension, the larger this ratio becomes. When dropping below the "critical mass" the number of magnetic ions is no longer sufficient to reflect typical bulk properties like long range magnetic order – it disappears and the system remains paramagnetic down to low temperatures.…