Ferromagnetische Halbleiter auf mikro- und nanostrukturierten Substraten
Final Report Abstract
Die ursprüngliche Zielsetzung des Projekts bestand darin, das ferromagnetische Halbleitermaterial GaMnAs mittels Niedrigtemperatur-Molekularstrahlepitaxie auf mikro- und nanostrukturierten GaAs/InGaAs-Substraten zu wachsen und so eine laterale Modulation der strukturellen, elektrischen und magnetischen Eigenschaften in einem einzigen Wachstumsschritt zu erzielen ("bottom-up"-Verfahren). Es stellte sich jedoch bald heraus, dass für die Analyse der gewonnenen Messdaten zunächst ein detaillierteres Verständnis der magnetischen Anisotropie (MA) und des anisotropen Magnetowiderstandes (AMR) von verspanntem GaMnAs auf großflächigen (001)- und (113)-orientierten Substraten erarbeitet werden musste. Zu diesem Zweck wurden zum einen GaMnAs-Schichten auf GaAs(113) und zum anderen auf GaAs(001) mit einer InGaAs-Zwischenschicht (virtuelles Substrat) gewachsen. Durch Variation des In-Gehalts konnte der Verspannungsgrad der GaMnAs-Schichten von kompressiv über nahezu unverspannt bis tensil verändert werden. Basierend auf strukturellen Untersuchungen mittels hochauflösender Röntgendiffraktometrie, welche ein exaktes Bild der Gitterverzerrung lieferten, gelang eine quantitative phänomenologische Beschreibung der MA und des AMR (hhl)-orientierter Schichten durch eine Reihenentwicklung der Freien Energie und des Widerstandstensors nach Potenzen der Richtungskosinusse der Magnetisierung. Alternativ zur Standardmethode der Ferromagnetischen Resonanz-Spektroskopie wurde ein Verfahren entwickelt, mit dessen Hilfe die zugehörigen Anisotropie- und Widerstandsparameter aus winkelabhängigen Magnetotransportmessungen bestimmt werden konnten. Sowohl für die Widerstandsparameter als auch für den dominanten Anisotropieparameter zweiter Ordnung fanden wir eine nahezu lineare Abhängigkeit von der vertikalen Verzerrung in (001)-orientierten Schichten. Die Analyse des anomalen Hall-Effektes in einer großen Anzahl von GaMnAs-Schichten führte uns auf eine universelle Relation zwischen dem transversalen und longitudinalen spezifischen Widerstand bei senkrechter Magnetfeldorientierung. Die Relation erlaubt insbesondere die genaue Bestimmung der für den Ferromagnetismus in GaMnAs verantwortlichen Löcherdichte aus Hall-Messungen bei hohen Magnetfeldstärken. Von unseren externen Kooperationspartnern wurde über die oben genannten Forschungsaktivitäten hinaus die piezolektrische Manipulation der Magnetisierungsorientierung in GaMnAs, die lokalen Struktur von Mn in Wasserstoff-passiviertem GaMnAs, die Spinwellenresonanz und das Oberflächen-Spin-Pinning in dünnen GaMnAs-Filmen, sowie der Mn-Einbau in GaMnAs mittels stehender Röntgenwellen untersucht.
Publications
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Effect of annealing on the depth profile of hole concentration in (Ga,Mn)As. Physical Review B 71, 205213 (2005)
W. Limmer, A. Koeder, S. Prank, V. Avrutin, W. Schoch, R. Sauer, K. Zuern, P. Ziemann, E. Feiner, and A. Waag
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(Ga,Mn)As on patterned GaAs(001) substrates: Growth and magnetotransport. Microelectronics Journal 37, 1535 (2006)
W. Limmer, J. Daeubler, M. Glunk, T. Hummel, W. Schoch, and R. Sauer
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Angle-dependent magnetotransport in cubic and tetragonal ferromagnets: Application to (001)- and (113)A-oriented (Ga,Mn)As. Physical Review B 74, 205205 (2006)
W. Limmer, M. Glunk, J. Daeubler, T. Hummel, W. Schoch, R. Sauer, C. Bihler, H. Huebl, M. S. Brandt, and S. T. B. Goennenwein
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Lattice parameter and hole density of (Ga,Mn)As on GaAs(311)A. Applied Physics Letters 88, 051904 (2006)
J. Daeubler, M. Clunk, W. Schoch, W. Limmer, and R. Sauer
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Magnetic anisotropy in (Ga,Mn)As on GaAs(113)A studied by magnetotransport and ferromagnetic resonance. Microelectronics Journal 37, 1490 (2006)
W. Limmer, M. Glunk, J. Daeubler, T. Hummel, W. Schoch, C. Bihler, H. Huebl, M. S. Brandt, S. T. B. Goennenwein, and R. Sauer
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Correlation effects in the density of states of annealed Ga1-xMnxAs. Physical Review B 75, 033308 (2007)
S. Russo, T. M. Klapwijk, W. Schoch, and W. Limmer
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Advanced resistivity model for arbitrary magnetization orientation applied to a series of compressiveto tensile-strained (Ga,Mn)As layers. Physical Review B 77, 205210 (2008)
W. Limmer, J. Daeubler, L. Dreher, M. Glunk, W. Schoch, S. Schwaiger, and R. Sauer
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Ga1-xMnxAs/piezoelectric actuator hybrids: A model system for magnetoelastic magnetization manipulation. Physical Review B 78, 045203 (2008)
C. Bihler, M. Althammer, A. Brandlmaier, S. Geprägs, M. Weiler, M. Opel, W. Schoch, W. Limmer, R. Gross, M. S. Brandt, and S. T. B. Goennenwein
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GaMnAs on InCaAs templates: Influence of strain on the electronic and magnetic properties. Physica E 40, 1876(2008)
J. Daeubler, S. Schwaiger, M. Glunk, M. Tabor, W. Schoch, R. Sauer, and W. Limmer
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Local structure of Mn in hydrogenated Ga1-xMnxAs. Physical Review B 78, 235208 (2008)
C. Bihler, G. Ciatto, H. Huebl, C. Martinez-Criado, P. J. Klar, K. Volz, W. Stolz, W. Schoch, W. Limmer, F. Filippone, A. Amore Bonapasta, and M. S. Brandt
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Magnetic Anisotropy and Magnetization Switching in Ferromagnetic GaMnAs. Advances in Solid State Physics, edited by R. Haug (Springer, Berhn Heidelberg, 2008), pp. 91-103
W. Limmer, J. Daeubler, M. Glunk, T. Hummel, W. Schoch, S. Schwaiger, M. Tabor, and R. Sauer
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Piezo-voltage control of magnetization orientation in a ferromagnetic semiconductor. Physica Status Solidi (RRL) 2, 96 (2008)
S. T. B. Goennenwein, M. Althammer, C. Bihler, A. Brandlmaier, S. Geprägs, M. Opel, W. Schoch, W. Limmer, R. Gross, and M. S. Brandt
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Magnetic anisotropy in (Ga,Mn)As: Influence of epitaxial strain and hole concentration. Physical Review B 79, 195206 (2009)
M. Clunk, J. Paeubler, L. Dreher, S. Schwaiger, W. Schoch, R. Sauer, and W. Limmer
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Scaling relation of the anomalous Hall effect in (Ca,Mn)As. Physical Review B 80, 125204 (2009)
M. Glunk, J. Daeubler, W. Schoch, R. Sauer, and W. Limmer
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Spin-wave resonances and surface spin pinning in Ga1-xMnxAs thin films. Physical Review B 79, 045205 (2009)
C. Bihler, W. Schoch, W. Limmer, S. T. B. Goennenwein, and M. S. Brandt
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Fourier transform imaging of impurities in the unit cells of crystals: Mn in GaAs. Physical Review B 81, 235207 (2010)
T.-L. Lee, C. Bihler, W. Schoch, W. Limmer, J. Daeubler, S. Thieß, M. S. Brandt, and J. Zegenhagen
