Mögliche Ursachen des Ferromagnetismus verdünnter magnetischer Halbleiter

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Datum
2007
Autor:innen
Biegger, Erwin
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Origin of ferromagnetism in diluted magnetic semiconductors
Publikationstyp
Dissertation
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Zusammenfassung

In der vorliegenden Arbeit wurden die verdünnten magnetischen Halbleiter MnxGe1-x, Zn1-xMexO und Sn1-xMexO2 (mit Me = Co, Fe) als mögliche Kandidaten zur Anwendung in der Spinelektronik hergestellt und charakterisiert. Dabei ist von zentraler Bedeutung, ob der Ferromagnetismus eine intrinsische Eigenschaft der DMS ist, wobei dessen Ursachen in der Literatur nach wie vor kontrovers diskutiert werden. Die Untersuchung der elektronischen Struktur der DMS mittels Synchrotronstrahlung ist ein vielversprechendes Verfahren, um der Ursache der ferromagnetischen Kopplung auf den Grund zu gehen.
Zunächst wurde MnxGe1-x im Einkristallzüchtungsprozess nach Bridgman hergestellt. Bei der Untersuchung der elementspezifischen Verteilung in den Proben wurde festgestellt, dass während des Züchtungsprozesses eine Phasenseparation in Mn-reiche und Mn-arme Gebiete aufgetreten war. Der Vergleich der Magnetisierungsmessungen mit denen der Referenzproben Mn11Ge8 und Mn5Ge3 zeigte, dass die Ursache des ferromagnetischen Verhaltens in MnxGe1-x in der Bildung von Mn-reichen ferromagnetischen Clustern begründet ist. XAS-Messungen um die Mn 2p-Absorptionskante an Mn-reichen sowie Mn-armen Bereichen der MnxGe1-x-Proben zeigten, dass sich Mn im divalenten Oxidationszustand (2+) befindet. Des Weiteren wurden ResPES-Messungen an der Mn 2p-3d-Kante durchgeführt, um die Mn 3d PDOS aus dem Valenzband von Ge zu extrahieren. Die hierbei erhaltene PDOS unterstützt die These der Bildung von Mn-reichen Einschlüssen. In der vorliegenden Arbeit wurde gezeigt, dass das gemessene magnetische Verhalten der MnxGe1-x-Proben von der Bildung Mn-reicher Phasen verursacht wird, und deshalb die Bridgman-Methode zur Herstellung der DMS ungeeignet ist.
Die dünnen Schichten der oxidischen Halbleiter Zn1-xMexO und Sn1-xMexO2 (mit Me = Co, Fe und 0.05 < x < 0.1) wurden im Magnetron-Sputterverfahren hergestellt. Der Sauerstoffgehalt wurde während der Probenpräparation systematisch variiert, um die Sauerstoff-Fehlsstellen-konzentration der Proben beeinflussen zu können. Mit XRD-Messungen wurde die c-Achsen orientierte Epitaxie der ZnO-Schichten bzw. die Rutilstruktur von SnO2 verifiziert. Magnetisierungsmessungen unter Berücksichtigung des Substratbeitrages zeigten an Me-dotiertem ZnO, dass der Ferromagnetismus an die Präsenz von Sauerstoff-Fehlstellen gekoppelt ist. XAS-Messungen um die Me 2p-Kante erlauben den Vergleich des Oxidationszustandes der Dotierionen und Rückschlüsse auf die Koordination und chemische Umgebung der Me-Ionen im Wirtsgitter. XAS-Messungen an der Co 2p-Absorptionskante zeigten, dass Co in ZnO als Co2+ in tetraedrischer Koordination von Sauerstoff an Zn-Gitterplätzen in das Wirtsgitter eingebaut ist. Aufgrund der unterschiedlichen Linienform des Absorptionsspektrums an der Co 2p-Kante wird die Koordination von Co in den SnO2-Proben im Gegensatz zu Zn1-xCoxO einer oktaedrischen Umgebung zugeordnet. Fe liegt in Fe-dotiertem ZnO abhängig von den Präparationsparametern in den beiden Oxidationszuständen (2+) und (3+) vor. Absorptionsmessungen um die O 1s-Kante stellen ein Zugang zu den Defektdichten an Sauerstoff-Gitterplätzen dar. Diese Messungen deuten auf die Abwesenheit von Sauerstoff-Fehlstellen bei Sauerstoff-reich präparierten Co-dotierten ZnO-Proben hin, womit das paramagnetische Verhalten der Sauerstoff-reichen Proben erklärbar ist. Sauerstoff-arm präparierte Zn1-xCoxO-Proben wiesen dagegen Sauerstoff-Fehlstellen auf. Vermutlich war die Defektdichte bezüglich der Sauerstoff-Gitterplätzen an Fe-dotiertem ZnO in allen Fe-dotierten ZnO-Proben gering, was das Ausbleiben des Ferromagnetismus in den Zn1-xFexO-Proben erklären könnte.
Das Modell der gebundenen magnetischen Polaronen, bei dem die ferromagnetische Kopplung von Sauerstoff-Fehlstellen verursacht wird, ist deshalb ein passendes Modell zur Beschreibung des ferromagnetischen Verhaltens im oxidischen DMS Zn1-xMexO. In diesem Modell bilden sich magnetische Polaronen um Sauerstoff-Fehlstellen aus. Magnetische Verunreinigungen, die sich innerhalb des Einflussbereiches dieser Polaronen befinden, koppeln sofern die Perkolationsschwelle erreicht ist und sich die Polaronen überlappen.
ResPES-Messungen extrahieren die partielle Zustandsdichte der Metall-Ionen aus dem Valenzband des oxidischen Halbleiters und ermöglichen so den Vergleich mit theoretischen Rechnungen. Die Zustandsdichte nahe dem Fermi-Niveau ist bei allen Proben vernachlässigbar gering, was die geringe Leitfähigkeit der Proben erklärt.
An den Co-dotierten ZnO-Proben wurde eine optische Charakterisierung durchgeführt. Transmissions- und Absorptionsmessungen bestätigen, dass Co in tetraedrischer Umgebung von Sauerstoff umgeben im Oxidationszustand (2+) vorliegt. Photolumineszenzmessungen an Zn1-xCoxO-Proben zeigten die für die Präsenz von Sauerstoff-Fehlstellen charakteristische breite grüne Lumineszenzbande.

Zusammenfassung in einer weiteren Sprache

Diluted Magnetic Semiconductors (DMS) have become recently the subject of intensive research due to the possibility to utilize both charge and spin degrees of freedom in the same material. This unique feature is expected to allow the design a new generation of spintronic devices with enhanced functionalities. In this work Mn-doped Ge single crystals and thin films of the metal doped oxidic semiconductors ZnO and SnO2 were prepared and investigated in detail.
Structural, magnetic, and electronic properties of Mn-doped Ge single crystals (0 < x < 0.1) prepared by the Bridgman's crystal growth technique were studied. The chemical distribution of Mn in the Ge matrix was investigated by means of energy dispersive x-ray spectroscopy, indicating a strong phase separation between Mn-rich and Mn-poor regions. Temperature dependent magnetization [M(T)] measurements performed on the Mn-poor part reveal a ferromagnetic order between 150 and 285 K. The magnetic properties of the Mn-poor part were found to be similar to those of a Mn11Ge8 reference sample. X-ray absorption spectroscopy (XAS) at the Mn L2,3 absorption edge shows that Mn ions in Mn-rich and Mn-poor parts are in the divalent high-spin state. Resonant valence-band photoelectron spectroscopy (ResPES) was performed at the Mn L2,3 absorption edge for the Mn-poor region. The extracted Mn 3d partial density of states shows a low spectral weight near EF and a broad feature around 4.8 eV of binding energy which is in good agreement with Mn-rich phase. We identify Mn11Ge8 phase segregation as the most possible origin of ferromagnetism in both Mn-rich and Mn-poor regions of the MnxGe1-x samples.
Further on we investigated the structural, magnetic and optical properties, as well as the electronic structure of epitaxial Me-doped ZnO and SnO2 films (Me = Co, Fe; 0.05 < x < 0.1) prepared by magnetron sputtering. Different preparation conditions were implemented in order to control the concentration of oxygen vacancies in the ZnO and SnO2 host lattice. Magnetization measurements indicate ferromagnetic behavior at low temperature for samples prepared at oxygen-poor conditions whereas the samples prepared at oxygen-rich conditions did not show ferromagnetic behavior corroborating that ferromagnetism in Co-doped ZnO is related to oxygen-related defects. Fe-doped ZnO samples do not show ferromagnetic behaviour at all, although X-ray absorption spectroscopy (XAS) shows that Fe is present as Fe2+ and Fe3+. XAS at the Co L2,3 edge together with optical transmittance measurements show that Co ions are present in the high-spin Co2+ (d7) state under tetrahedral symmetry indicating a proper incorporation in the ZnO host lattice. Comparison of the O K edge XAS spectra of the samples prepared at different conditions show substantial changes in the spectral line shape which are attributed to the presence of lattice defects such as oxygen vacancies in the ferromagnetic oxygen-poor Co-doped ZnO samples. Our findings indicate that the ferromagnetic properties of Co-doped ZnO samples are strongly correlated with the presence of oxygen vacancies in the ZnO lattice supporting the spin-split impurity band model.

Fachgebiet (DDC)
530 Physik
Schlagwörter
verdünnte magnetische Halbleiter, diluted magnetic semiconductor
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ISO 690BIEGGER, Erwin, 2007. Mögliche Ursachen des Ferromagnetismus verdünnter magnetischer Halbleiter [Dissertation]. Konstanz: University of Konstanz
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February 14, 2007
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