Mithilfe der ALICE-Kammer untersuchten die Wissenschaftler nun ihre magnetischen Halbleiter. Dabei erhofften sie sich Antworten auf gleich eine ganze Reihe von Fragen: Bei welcher Dosis beziehungsweise Konzentration der Metallionen werden die Oxide magnetisch, und wann findet der Übergang von einem nicht magnetischen zu einem ferromagnetischen Material statt? Sind die Halbleiter bei Raumtemperatur und darüber hinaus ferromagnetisch? Sitzen die Kobalt-Ionen durch Austausch mit den Titan oder Zink-Ionen auf regulären Gitterplätzen im Kristall, oder bilden sie kleinste Metalltröpfchen, so genannte Ausscheidungen im Halbleitermaterial?

Bisher gab es weder ein ideales Rezept zur Herstellung von magnetischen Halbleitern noch eindeutige Antworten auf diese Fragen. Hilfe sollte nun ALICE bringen.

Zunächst untersuchten Zabel und Co. mit Hilfe der neuen Kombinationsmethode aus Spektroskopie und Streuung das charakteristische Verhalten von Elektronen auf den L-Schalen von Kobalt-Ionen nach Implantation in Titanoxid. Dabei variierten sie die Energie der rechts- und links-zirkular polarisierten Röntgenphotonen, um anhand der charakteristischen Resonanzenergien den Metallionen auf die Spur zu kommen.

Die Ausschläge der Kurve zeigen, wie viele Kobaltatome in der Probe vorhanden sind und in welcher chemischen Umgebung sie sich befinden. © RUB

Dotierung erfolgreich in Gitterplätze integriert
Tatsächlich bestätigten die Ergebnisse ihre Erwartungen: Die Strahlung durch die angeregten Elektronen auf den L-Schalen war bei den erwarteten Energiewerten im Diagramm deutlich zu erkennen. Die Feinstruktur der Kurve zeigt darüber hinaus, dass die chemische Umgebung von Kobalt in Titanoxid nicht metallisch sein kann. Ihre „zackige Struktur“ kommt von diskreten Energiewerten in den Oxiden. Wäre die Umgebung metallisch, dann wäre die Kurve im Maximum strukturlos glatt, weil in Metallen die Energiewerte kontinuierlich verteilt sind.

Die Forscher gehen daher davon aus, dass Kobalt nicht in Form kleiner komplett magnetischer Metalltröpfchen in der Oxidmatrix ausscheidet, sondern dass tatsächlich wie gewünscht einzelne Kobaltionen auf den Gitterplätzen von Zink- beziehungsweise Titanatomen im Halbleiter sitzen. Sie gehen an dieser Position Bindungen mit den benachbarten Sauerstoffatomen ein, denen sie je zwei Elektronen abtreten.