Structural and magnetic investigation of dilute magnetic semiconductors based on GaN and ZnO

Duisburg, Essen (2010), IV, 212 S.
Dissertation / Fach: Physik
Fakultät für Physik » Experimentalphysik
Farle, Michael (Doktorvater, Betreuerin)
Hofmann, Detlev (GutachterIn)
Duisburg, Essen, Univ., Diss., 2010
Abstract:
Die verdünnten magnetischen Halbleiter (DMS), Co:ZnO und Gd:GaN, gehören zu den favorisierten Materialien für mögliche Spintronik-Anwendungen. Der Gegenstand dieser Arbeit sind strukturelle und magnetische Untersuchungen dieser Materialen mit komplementären Methoden. In Ergänzung der Röntgendiffraktometrie (XRD) wurde der Röntgen-Linear-Dichroismus (XLD) genutzt, um elementspezifisch lokale strukturelle Informationen über Dotieratom und Wirtskation zu erhalten. Die SQUID-Magnetometrie wurde durch Messung der Elektronenspinresonanz (ESR) und des Röntgenzirkulardichroismus (XMCD) komplettiert. Gd:GaN wurde durch Gd-Ionen Implantation und Molekularstrahlepitaxie (MBE) gewachsen. Bei 300 K zeigten nur wenige Proben scheinbar ferromagnetisches Verhalten in SQUID-Messungen, welches nicht zuverlässig reproduziert werden konnte. Stattdessen konnte an der Gd L3-Kante mittels XMCD paramagnetisches Verhalten des Dotieratoms nachgewiesen werden. Ergänzend konnte gezeigt werden, dass eine mögliche magnetische Polarisation des Ga-Untergitters zu gering ist, um die Gesamtmagnetisierung der Probe zu erklären. Somit müssen extrinsische Ursachen für gelegentliche ferromagnetische Signaturen in integralen Magnetisierungsmessungen in Betracht gezogen werden. Die Bildung von Gd und GdN Nanoclustern, wurde durch ESR Messungen gezeigt. Intrinsischer Ferromagnetismus bei T = 300 K konnte weder mit ESR noch mit XMCD bestätigt werden. Die Co:ZnO Proben wurden vorwiegend durch reaktives Magnetronsputtern (RMS) hergestellt. 95\% der Co Atome besetzen substitutionelle Zn-Plätze in Proben von hoher struktureller Qualität. Diese Proben zeigen paramagnetisches Verhalten. RMS Wachstum unter reduziertem O2-Partialdruck induziert magnetisches Verhalten, wie es von ferromagnetischen Nanoclustern bekannt ist. Röntgennahkantenabsorptionsspektroskopie (XANES) und XMCD bestätigen einen erhöhten metallischen Co Anteil in diesen Proben. Entsprechend ist das XLD Signal, welches ein Maß für substitutionelles Co darstellt, reduziert. Diese Proben wurden unter O2-Atmosphäre oder Hochvakuum (HV) getempert. Während Letzteres die ferromagnetischen Eigenschaften der Proben verstärkt, führt das O2-Tempern zu einem Verschwinden der ferromagnetischen Signaturen. XANES und XLD Analysen zeigen, dass nicht-substitutionelle Co Atome teilweise zu Co3O4  oxidiert werden, wohingegen HV-Tempern eine Erhöhung des metallischen Co Anteils bewirkt. ESR Messungen zeigen Signaturen von superparamagnetischen Ensemblen. Proben von hoher struktureller Qualität sind inert gegenüber Temperprozeduren.

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