Universität zu Köln

Braak, Heiko (2006). Mit Mangan und Eisen ko-dotiertes Germanium: ein ferromagnetischer Halbleiter? PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Herstellung und Charakterisierung ferromagnetischer Halbleiter. Durch Ko-Dotieren von Germanium mit Mangan und Eisen soll ein ferromagnetisches, halbleitendes Material synthetisiert werden und dessen Curie-Temperatur gegenüber Ge(Mn)-Filmen erhöht werden. Epitaktische Ge(Mn,Fe)-Schichten werden in einer MBE-Anlage durch lagenweises Aufdampfen der Elemente hergestellt. Durch nachträgliches Anlassen durchmischen sich die Multilagen. Das sukzessive Hinzufügen von Eisen verändert das magnetische Verhalten drastisch. Die in Ge(Mn)-Filmen detektierte Mn11Ge8-Phase ist nicht mehr nachweisbar. Verglichen mit den Ge(Mn)-Schichten steigt der Anteil der Mn5Ge3- Phase an der Magnetisierung stark an. Zusätzlich tritt eine unbekannte magnetische Tieftemperatur-Phase (TT-Phase) mit einer Curie-Temperatur von 210K auf. Der Beitrag dieser TT-Phase zur Magnetisierung ist gering. Die Ge(Mn,Fe)- Filme haben halbleitende Eigenschaften. Der anomale Halleffekt ist vernachlässigbar. Die Mikrostrukturanalyse zeigt eine inhomogene Schicht mit Mn-haltigen Clustern. Das Reduzieren der Anlasstemperatur verringert die Anzahl der Cluster, die der Mn5Ge3-Phase zugeordnet werden können, signifikant. Die Temperaturabhängigkeit der Magnetisierung zeigt wieder die Signatur der beiden magnetischen Phasen. Der Anteil der TT-Phase an der Magnetisierung ist jedoch stark erhöht und viel größer als jene der Cluster-Phase. Zylinderförmige Inhomogenitäten mit einer, im Vergleich zur Matrix, erhöhten Mn- und Fe-Konzentration durchsetzen die Probe. Sowohl für die TT- als auch für die Cluster-Phase lässt sich ein deutlicher anomaler Halleffekt nachweisen. Eine Optimierung der relativen Mn- und Fe-Konzentration unterdrückt die Bildung der Cluster-Phase, und die Magnetisierungsmessung zeigt nur noch die TT-Phase. Die kristalline Ordnung der zylinderförmigen Strukturen im Film zeigen eine klare epitaktische Beziehung zur umgebenden Matrix. Der optimierte Ge(Mn,Fe)-Film zeigt halbleitenden Charakter mit Löcherleitung. Der anomale Halleffekt der TT-Phase ist etwa eine Gröÿenordnung stärker als in den Ge(Mn,Fe)-Filmen, die Cluster enthalten. Um die Frage zu beantworten, ob die optimierten, einphasigen Ge(Mn,Fe)- Filme ferromagnetische Halbleiter sind, bedarf es weiterer Experimente, die den intrinsischen, ladungsträger-induzierten Ferromagnetismus direkt nachweisen. Das Auftreten des anomalen Halleffekts ist zwar eine notwendige aber nicht hinreichende Bedingung für einen ferromagnetischen Halbleiter, da wie hier gezeigt auch Cluster-Phasen zum anomalen Halleffekt beitragen können.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Germanium doped with Mn and Fe: a ferromagnetic semiconductor English
Translated abstract:	Abstract Language This thesis describes the synthesis and characterization of diluted magnetic semiconductors. The potential of co-doping germanium with manganese and iron to increase the Curie-temperature of diluted magnetic semiconducting Ge(Mn)-films is explored. Epitaxial Ge(Mn,Fe)-films are prepared by evaporating the three elements layer-by-layer in a MBE-system. Post annealing intermixes the sequentially evaporated films by diffusion. Adding a small amount of iron to Ge(Mn)-films results in a drastically different magnetization behavior of the films. The Mn11Ge8-phase, which is detected in the Ge(Mn)-films, vanishes and the contribution of the Mn5Ge3-phase to the magnetization strongly increases compared to the Ge(Mn)-films. An unknown magnetic low-temperature phase (LT-phase) with a Curie-temperature of 210K appears. The contribution of this LT-phase to the magnetization is very small. Transportmeasurements reveal for these samples p-type semiconducting properties and the anomalous Halleffect is negligible. The microstructure analysis shows a strongly inhomogeneous sample with Mn-containing clusters. Decreasing the annealing temperature significantly reduces the number of clusters, which can be attributed to the Mn5Ge3-phase. The temperature dependence of the magnetization shows again the presence of the two magnetic phases. The contribution of the LT-phase to the magnetization is strongly increased and much larger than that of the cluster phase. The film contains cylindrical inhomogeneities with higher Mn- and Fe-concentrations than the surrounding matrix. The anomalous Halleffect shows contributions for both the LT-phase and the cluster phase. The formation of the cluster phase is suppressed by optimizing the relative Mn- and Fe-concentrations, and the magnetization measurements reveal only the LT-phase. The crystal structure of the cylindrical inhomogeneities has a precise eptiaxial relation to the matrix. The optimized p-type semiconducting Ge(Mn,Fe)-film shows an almost one magnitude higher anomalous Halleffect of the LT-phase than the Ge(Mn,Fe)-film containing clusters. Only further experiments addressing the intrinsic carrier-induced ferromagnetism can answer the question, whether the optimized, single-phase Ge(Mn,Fe)-film with a Curie-temperature of 210K is a diluted ferromagnetic semiconductor. The presence of the anomalous Halleffect is a necessary but not sufficient condition for a ferromagnetic semiconductor, because as shown here cluster phases can also give rise to an anomalous Halleffect. English
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Braak, Heiko h.braak@fz-juelich.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-18143
Date:	2006
Language:	German
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Physics > Institute of Physics II
Subjects:	Physics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language ferromagnetisch, Halbleiter, verdünnt, Spintronik, Germanium German DMS, magnetic, semiconductor, Germanium, diluted, spintronik English
Date of oral exam:	6 June 2006
Referee:	Name Academic Title Grünberg, Peter Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/1814