Magnetooptische Untersuchungen an ferromagnetischen GaMnAs-Epitaxieschichten

Titelangaben

Lang, Ralf:
Magnetooptische Untersuchungen an ferromagnetischen GaMnAs-Epitaxieschichten.
Bayreuth , 2006
( Dissertation, 2006 , Universität Bayreuth, Fakultät für Mathematik, Physik und Informatik)

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Abstract

Die ferromagnetische Phase von dünnen GaMnAs-Epitaxieschichten, die auf GaAs-Substrat aufgebracht sind und einen Mangan-Gehalt von 1,4-8,5% besitzen werden mit Hilfe des magnetooptischen Kerr-Effektes (MOKE) und des magnetischen Zirkular-Dichroismus (MCD) untersucht. Der Temperaturbereich erstreckt sich dabei von 1,9K bis zu 100K und das senkrecht zur Schichtebene orientierte Magnetfeld liegt zwischen -5 und +5 kOe. Um sowohl den MOKE als auch den MCD zu analysieren, wurde ein Modell einer parabolischen Interband dielektrischen Funktion entwickelt, das Beiträge vom schweren- und leichten-Loch-Valenzband sowie vom „Split-Off“-Valenzband und Leitungsband besitzt und ausserdem die Moss-Burstein-Verschiebung berücksichtigt. Die Besetzung der spin-aufgespaltenen Valenzbänder wurde durch die Betrachtung des Fermi-Niveaus der Löcher explizit mit berücksichtigt. Für die Austausch-Wechselwirkung zwischen Mangan-Spins und Löchern wurde eine Molekularfeld-Näherung verwendet, wie sie bei verdünnt magnetischen Halbleitern üblich ist. Die Anpassungsrechungen an die experimentellen Daten ergaben einen Leitungsband-Austauschparameter von zwischen 0,22 und 0,33 eV und einen Valenzband-Austauschparameter zwischen 0,6 und 2,3 eV, abhängig von der Löcherdichte und der Mangan-Konzentration. Diese Werte sind nahe bei denjenigen der II-Mn-VI Halbleiter, allerdings ist das Vorzeichen des Valenband-Austauschparameters umgekehrt verglichen mit den II-Mn-VI-Proben. Das bedeutet, dass ein ferromagnetischer Austausch zwischen Mangan-Spins und freien Löchern im GaMnAs-System vorliegt. Die quantitative Auswertung der wellenlängenabhängigen MOKE- und MCD-Daten führt zur Einführung eines dispersionslosen Leitungsband-Niveaus. Aus den Messungen der Hyterese konnten die Curie-Temperaturen, Koerzitiv-Felder und die kubischen Anisotropie-Konstanten bestimmt werden.

Abstract in weiterer Sprache

The ferromagnetic state of thin GaMnAs layers on GaAs substrates is investigated by polar magneto-optical Kerr effect (MOKE) and reflectance magneto-circular dichroism (MCD) studies. The Manganese content ranged between 1.4 and 8.5%. Temperatures ranged between 1.9 K and 100 K. Magnetic fields ranging from -5 to +5 kOe were applied normal to the layer plane. A parabolic interband dielectric function model that includes the heavy-hole, light-hole and split-off valence bands, as well as the finite Moss-Burstein shift was developed for analyzing both MOKE and MCD. The occupation of the spin-split valence bands is taken into account by explicitly including the Fermi level for holes. For the exchange interaction between manganese spins and hole carriers a mean field approach as common in diuted magnetic semiconductors was used. Fits to the experimental data yielded a conduction band exchange parameter of 0.22 - 0.33 eV and a hole exchange parameter varying between 0.6 and 2.3 eV, depending on the hole concentration and on the Mn content. These magnitudes are close to those familiar from II-VI-DMSs, but the sign of the valence band exchange parameter is reversed with respect to the II-VI case. That means, there is a ferromagnetic local exchange between Mn-spins and free holes in the GaMnAs system. The quantitative wavelength-dependent analysis of MOKE and MCD spectra for all samples regarding that the band-parameters should not deviate significantly from the GaAs-values, lead to the introduction of a dispersionless level in the conduction band of GaMnAs. The hysteresis measurements allowed us to determine Curie temperatures, coercivities and the cubic anisotropy constants.