Schneider, Lars:

Optische Kurzzeitspektroskopie an magnetisch dotierten Halbleiter-Nanopartikeln

Duisburg, Essen (2011), 154 S.
Dissertation / Fach: Elektrotechnik
Fakultät für Ingenieurwissenschaften » Elektrotechnik und Informationstechnik
Duisburg, Essen, Univ., Diss., 2011
Abstract:
Aufgrund ihrer interessanten physikalischen und chemischen Eigenschaften besitzen Halbleiter-Nanopartikel ein hohes Potenzial für neuartige technologische Anwendungen. Eine Dotierung mit magnetischen Übergangsmetallen ebnet darüber hinaus den Weg zu einer Reihe interessanter magnetischer Effekte, die einen zukünftigen Einsatz in der Spintronik ermöglichen können. Dazu ist es jedoch nötig, magnetische Halbleiter herzustellen, die ihre ferromagnetischen Eigenschaften auch bei oder oberhalb Raumtemperatur nicht verlieren. Das Ziel dieser Arbeit war es, magnetisch dotierte Nanopartikel auf Basis der II-VI Halbleiter sowohl strukturell, als auch optisch zu untersuchen. Darüber hinaus sollte eine magnetische Kopplung der Ladungsträgerspins an die Spins der Übergangsmetallionen auch bei höheren Temperaturen nachgewiesen werden. Zur Untersuchung der lokalen Struktur eingebauter Cr-Atome im Kristallgitter des ZnO wurden Röntgenabsorptionsmessungen an einer mit 3 at. % Cr-dotierten Probe durchgeführt. Hier konnte gezeigt werden, dass Cr3+-Atome teilweise auf Zn-Plätzen eingebaut waren. Nachdem die Probe bei 1000 °C unter Sauerstoffatmosphäre ausgeheilt wurde, waren eine vollständige Segregation der Cr-Atome aus dem ZnO-Gitter und die Bildung einer Zink-Chromit-Phase zu beobachten. Magnetische Messungen an der ausgeheilten Probe zeigten ein deutliches Hystereseverhalten, welches auf nicht-abgesättigte Spins an der Oberfläche der Zink-Chromit-Cluster zurückgeführt wurde. Mithilfe der zeitaufgelösten Photolumineszenz-Spektroskopie (PL-Spektroskopie) wurde anschließend die Rekombinationsdynamik an Mn-dotierten CdSe-Nanokristallen untersucht. Nachdem zuvor in zeitintegrierten PL-Messungen erste Signaturen der Bildung eines exzitonischen magnetischen Polarons (EMP) bei hohen Temperaturen beobachtet wurden, konnte im zeitaufgelösten PL-Spektrum die EMP-Bildung auf einer breiten Temperatur- und Zeit-Skala untersucht werden. Aufgrund des starken dreidimensionalen Einschlusses der Ladungsträger in den frei stehenden CdSe-Nanokristallen wurde erstmals die spontane Polarisation von Mn2+-Spins im Austauschfeld eines Exzitons nahe der Raumtemperatur beobachtet.