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B1: Defektinduzierter Magnetismus in Oxiden

Das Projekt ist ein gemeinsames Vorhaben der experimentellen Gruppe von Prof. P. Esquinazi und Dr. M. Ziese (Leipzig) und der theoretischen Gruppe von Prof. W. Hergert (Halle). Ziel des Teilprojekts ist das Studium defektinduzierter magnetischer Ordnung in Oxiden mit leerer oder vollständig gefüllter d-Schale. Der Schwerpunkt liegt auf Prototypen verschiedener Klassen von Oxiden wie: MgO, SrTiO₃, LaAlO₃, ZnO, TiO₂, ZrO₂. Diese Oxide sind in stöchiometrischer Zusammensetzung als Volumenkristalle diamagnetisch, aber durch das Erzeugen von Defekten werden Spinmomente induziert, die eine langreichweitige Ordnung bei entsprechender Defektkonzentration zeigen. Ein wesentlicher Einfluss von Grenzflächen auf die magnetischen Eigenschaften von Supergittern wird erwartet und untersucht. Dieser Einfluss kann auf verschiedenartige Defekte an den Grenzflächen oder die Formation magnetischer Momente auf Grund der Symmetriebrechung an der Grenzfläche zurückzuführen sein.

Mit einer Kombination experimenteller Techniken wie SQUID-Magnetometrie, PIXE (Particle Induced X-ray Emission) und Positronenannihilationsspektroskopie in Verbindung mit ab initio Rechnungen wurde gezeigt, dass ZnO-Filme, die unter N₂-Atmosphäre gewachsen worden sind, ferromagnetische Ordnung zeigen, die auf strukturelle Defekte, wahrscheinlich Zn Leerstellen, zurückzuführen ist. Die Sättigungsmagnetisierung hängt systematisch vom N₂-Partialdruck während der Abscheidung ab. Sie ist reproduzierbar und wird gewiss nicht durch eine Kontamination mit ferromagnetischen Elementen wie Fe, Co oder Ni hervorgerufen. Die Curie-Temperatur liegt deutlich über Zimmertemperatur.

Die theoretischen Berechnungen basieren auf einem so genannten „multi-code approach“. Die Realstruktur von Volumenkristallen oder Schichtsystemen, die Vakanzen, Störatome oder kompliziertere Defektkomplexe enthalten, wird mit dem Vienna Ab Initio Simulation Package (VASP) untersucht. Ein ab initio code basierend auf der KKR (Korringa, Kohn, Rostoker) Methode der Greenschen Funktionen wird verwendet, um elektronische und magnetische Eigenschaften im Detail zu untersuchen. Unordnung kann in dieser Vielfachstreutheorie über die sogenannte „coherent potential approximation“ berücksichtigt werden. Korrelationseffekte werden über Selbstwechselwirkungskorrekturen einbezogen. Informationen aus diesen ab inito Rechnungen werden verwendet, um die Temperaturabhängigkeit der magnetischen Effekte mittels Monte Carlo-Methoden zu untersuchen. Die theoretischen Untersuchungen werden in enger Wechselwirkung mit den experimentellen Arbeiten durchgeführt.