Strukturelle, magnetische und gitterdynamische Grenzflächeneigenschaften von epitaktischen Eisenfilmen auf InAs(001)- und GaAs(001)-Substraten

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Im Rahmen dieser Arbeit wurden Struktur, Magnetismus und Grenzflächeneigenschaften von Ferromagnet-Halbleiter-Hybridstrukturen untersucht. Das Hauptziel dieser Arbeit war es, Information über die physikalischen Eigenschaften an der Grenzfläche zwischen einem ferromagnetischem Metall und einem III-V-Halbleiter (HL) zu erhalten. Dazu wurden Fe-Filme als ferromagnetische Kontakte auf InAs(001)- bzw. GaAs(001)-Substraten im Ultrahochvakuum (UHV) aufgebracht und untersucht. Beide Systeme sind als Modellsysteme im Hinblick auf die elektrische Spininjektion von einem ferromagnetischen Metall in den Halbleiter interessant. Damit Spininjektion stattfinden kann, muss sich bekanntlich an der Fe/HL-Grenzfläche eine Schottky-Barriere ausbilden. Das Filmwachstum und die Filmstruktur wurde in-situ im UHV mit Elektronenbeugung (RHEED) und ex-situ mit Röntgenbeugung untersucht. Zur Bestimmung der magnetischen Eigenschaften wurde die 57Fe-Konversionselektronen-Mössbauerspektroskopie (CEMS) in Verbindung mit der 57Fe-Sondenschichttechnik bei verschiedenen Temperaturen eingesetzt. Ferner wurde an einer 57Fe-Sondenschicht mittels kernresonanter inelastischer Röntgenstreuung (NRIXS) die partielle Fe-Phononenzustandsdichte (PDOS) an der Fe/InAs(001)-Grenzfläche ermittelt.

In der Arbeit wird über die erfolgreiche Herstellung und Untersuchung epitaktischer Fe(001)-Filme auf InAs(001) mit in der Filmebene liegender Spinrichtung berichtet. Von besonderem Interesse für potentielle Anwendungen waren auch nanoskalierte Fe/Tb-Vielfachschichten als Kontakte auf InAs(001) mit einer Fe-Spintextur senkrecht zur Filmebene. Es wird gezeigt, dass der erste Eisenfilm an der Grenzfläche zwar epitaktisch auf InAs(001) aufwächst, aber im Anfangsstadium des Wachstums eine stark gestörte Struktur besitzt, sei es aufgrund der relativ großen Gitterfehlanpassung oder durch As-Diffusion aus dem Substrat in den Eisenfilm. Der hier beobachtete nicht monotone Verlauf der planaren Gitterkonstanten des Fe mit zunehmender Schichtdicke konnte mit Inselbildung und Perkolation korreliert werden, wie sie mittels Raster-Tunnelmikroskopie (STM) in der Literatur gefunden wurde. Die CEM-Spektren bei Raumtemperatur ergaben relativ hohe Werte von 〈Bhf〉 ~ 27 T für das mittlere magnetische Hyperfeinfeld bzw. von Bhf, peak ~ 30 T für das wahrscheinlichste magnetische Hyperfeinfeld an der Grenzfläche. Dies weist auf relativ hohe mittlere Fe-Momente von ~ 1.8µB hin. Weiterhin zeigt dies, dass keine "magnetisch tote Schicht" an der Grenzfläche vorliegt. Das ermittelte hohe magnetische Fe-Moment an der Fe/InAs(001)-Grenzfläche ist eine günstige Voraussetzung für die Spininjektion. Die partielle Fe-Phononenzustandsdichte (PDOS) an der Fe/InAs(001)-Grenzfläche zeigt eine deutliche Veränderung im Vergleich zu massivem bcc-Fe. Sie ähnelt der PDOS von stark ungeordneten oder amorphen Legierungen. Dies macht sich durch eine Verschiebung der Phononen-Zustände hin zu niedrigeren Energien und eine deutliche Unterdrückung des hochenergetischen longitudinalen Phononen-Peaks bei ca. 36 meV bemerkbar, wobei die obere Abschneideenergie erhalten bleibt. Dieses Weichwerden der Phononen an der Grenzfläche sollte sich in erhöhtem elektronischen Rauschen in zukünftigen Bauelementen widerspiegeln.

An den Fe/Tb-Vielfachschichten auf InAs(001) wurde mittels Magnetometrie und 57Fe-CEMS eine stark temperaturabhängige Richtung der Magnetisierung beobachtet: Je tiefer die Temperatur, desto größer ist die Magnetisierungskomponente senkrecht zur Filmoberfläche. Dies konnte auch an Fe/Tb-Vielfachschichten auf p-InAs(001) nachgewiesen werden. Ferner wird gezeigt, dass solche Fe/Tb-Vielfachschichten mit senkrechter Spintextur auf p-InAs(001) als potentielle elektrische Kontakte für Spininjektion in Remanenz (im Nullfeld) in Frage kommen, da bei tiefer Temperatur Strom-Spannungs-Kennlinien mit typischer Diodencharakteristik gemessen wurden, was auf eine Schottky-Barriere hinweist. An diesen Proben konnte bei tiefer Temperatur Elektrolumineszenz im Infrarotbereich bei ca. 3 µm beobachtet werden. Somit bietet sich prinzipiell die Möglichkeit, die elektrische Spininjektion in diesen Proben in Remanenz optisch nachzuweisen. In vorläufigen Untersuchungen dazu konnte allerdings an meinen Proben keine zirkulare Polarisation des Elektroluminiszenzlichtes beobachtet werden, wie man es bei Rekombination von Löchern mit spinpolarisierten Elektronen erwarten würde. Mögliche Gründe dafür werden diskutiert.

Auf GaAs(001) wurden ultradünne Fe-Filme mit einer Bedeckung von 2.5 Monolagen aufgedampft, deren Inseln noch nicht perkoliert waren, und in-situ im UHV mit 57Fe-CEMS auf ihre magnetischen Eigenschaften hin untersucht. Temperaturabhängige CEM-Spektren weisen auf superparamagnetisches Verhalten dieser unbedeckten Fe-Inseln hin mit einer Blocking-Temperatur von TB ~ 165 K. Unterhalb von TB existiert ein linearer Zusammenhang zwischen Temperatur und mittlerem magnetischem Hyperfeinfeld 〈Bhf〉. Damit konnte gezeigt werden, dass es an "freien" (unbedeckten) Fe-Inseln auf GaAs(001) im UHV einen Übergang vom Superparamagnetismus zum eingefrorenen Ferromagnetismus gibt. Darüber hinaus wurde der Einfluss unterschiedlicher Deckschichten (Pt, Au) auf die magnetischen Eigenschaften der Fe-Inseln untersucht.
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Dokumententyp:
Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Fakultät / Institut:
Fakultät für Physik
Dewey Dezimal-Klassifikation:
500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik
Stichwörter:
Fe/InAs(001), Fe/Tb-Vielfachschichten, Fe/GaAs(001), CEMS
Beitragende:
Prof. Dr. Keune, Werner [Betreuer(in), Doktorvater]
Prof. Dr. Lorke, Axel [Gutachter(in), Rezensent(in)]
Sprache:
Deutsch
Kollektion / Status:
Dissertationen / Dokument veröffentlicht
Datum der Promotion:
14.07.2009
Dokument erstellt am:
04.08.2009
Promotionsantrag am:
16.03.2009
Dateien geändert am:
29.07.2009
Medientyp:
Text