@phdthesis{Tavakoli2014,
  author    = {Tavakoli, Kia},
  title     = {Herstellung und Charakterisierung spintronischer und caloritronischer (Ga,Mn)As-Nanostrukturen},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-103241},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2014},
  abstract  = {Die elektronischen Bauteile, die aus unserer technischen Welt kaum wegzuddenken sind, werden immer kleiner. Aktuelle ICs bestehen zum Beispiel aus Milliarden von Transistoren, von denen jeder einzelne kleiner als 100nm (dem 100-stel des typischen Durchmessers eines Menschenhaars) ist. Dass die Entwicklung auch zuk{\"u}nftig weiter dem Trend des Mooreschen Gesetzes folgen wird, gilt hierbei als unbestritten. Die interessanteste Fragestellung der Halbleiter- und Nanostrukturforschung in diesem Zusammenhang ist: Kann man die weitere Entwicklung der Informations- und Kommunikationstechnik dadurch erreichen, dass man die Miniaturisierung der Transistoren in Mikroprozessoren und Speicherbauelementen weiter vorantreibt oder ist man auf g{\"a}nzlich neue Wege angewiesen? Bei der weitergehenden Miniaturisierung ist die gr{\"o}ßte H{\"u}rde darin zu suchen, ob man in der Lage sein wird die Verbrauchsleistung dieser Bauelemente weiter zu reduzieren, um die {\"U}berhitzung der Bauteile in den Griff zu bekommen und nicht zuletzt auch, um Energie zu sparen. Die heutige Elektronik hat ihre Grundlagen in den 60er Jahren. Diese Art der Elektronik ist jedoch hinsichtlich der Effizienzsteigerungen und vor allem der W{\"a}rmeentwicklung an ihre Grenzen gestoßen. Hauptursache f{\"u}r diese problematische W{\"a}rmeentwicklung sind die elektrischen Verbindungen, die die Informationen zwischen der halbleiterbasierten Datenverarbeitung und den metallischen Speicherelementen hin und hertransportieren. Obwohl diese elektrischen Verbindungen zum aktuellen Zeitpunkt aus der Computerarchitektur nicht weg zu denken sind, ist es eines der Hauptziele diese Verbindungen nicht mehr verwenden zu m{\"u}ssen. Dies kann jedoch nur erreicht werden, wenn es gelingt, die Speicherelemente und Datenverarbeitung in einem einzigen Element (Halbleiter) zu vereinen. Bisher wurde die Ladung eines Elektrons f{\"u}r die Verarbeitung von elektrischen Informationen bzw. Zust{\"a}nden benutzt. Was w{\"a}re jedoch, wenn man diese bisherige Basis v{\"o}llig {\"a}ndert? Der Spin der Elektronen ist ein viel effektiverer Informationstr{\"a}ger als die Ladung der Elektronen selbst, nicht zuletzt deshalb, weil die Ver{\"a}nderung des Spins eines Elektrons im Vergleich zu dessen Bewegung einen weitaus geringeren Energiebetrag ben{\"o}tigt [1]. Die Technik, die zus{\"a}tzlich zur Informationsverarbeitung durch makroskopische Elektronenstr{\"o}me den viel effektiveren Spin-Quantenzustand der Elektronen oder L{\"o}cher als Freiheitsgrad nutzt, ist die sogenannte Spintronik1. Die Spinfreiheitsgrade er{\"o}ffnen, wegen der l{\"a}ngeren Phasenkoh{\"a}renzl{\"a}nge, im Vergleich zu den orbitalen Freiheitsgraden, v{\"o}llig neue Wege f{\"u}r zuk{\"u}nftige Entwicklungen wie z.B. den Quantencomputer. Damit w{\"a}re die Entwicklung niederenergetischer Bauelemente m{\"o}glich, die fast keine W{\"a}rmeentwicklung aufweisen. Wegen dieser vielen Vorteile hat sich die Spintronik in Rekordzeit von einer interessanten wissenschaftlichen Beobachtung in Rekordzeit zu einer marktbewegenden Anwendung weiterentwickelt (Nobelpreis 2007). Seinen Anfang nahm diese Entwicklung 1988 mit der Entdeckung des GMR-Effekts. Nach nur 9 Jahren wurden 1997 erste Festplatten-Lesek{\"o}pfe eingesetzt, die sich diesen Effekt zu Nutze machten. Lesek{\"o}pfe, die den Riesenmagnetwiderstand nutzen, waren nunmehr um ein Vielfaches empfindlicher als es die konventionelle Technik zugelassen h{\"a}tte. Die Speicherdichte und damit die Kapazit{\"a}ten der Festplatten konnte somit erheblich gesteigert und Festplatten mit zuvor nie gekannter Speicherkapazit{\"a}t preiswert produziert werden. Seit dieser Zeit r{\"u}ckt der Elektronenspin immer weiter in den Brennpunkt von Forschung und Entwicklung. Da sich der elektrische Widerstand von Halbleitern in einem weiten Bereich manipulieren l{\"a}sst (was f{\"u}r ferromagnetische Metalle nicht der Fall ist), werden logische Bauelemente aus halbleitenden Materialien hergestellt. Im Gegensatz dazu sind ferromagnetische Metalle sehr gute Kandidaten f{\"u}r die Speicherung von Informationen. Dies liegt vor allem daran, dass zuf{\"a}llige Magnetfelder viel schw{\"a}cher sind, als zuf{\"a}llige elektrische Felder, was ferromagnetische Systeme wesentlich unanf{\"a}lliger macht. Daher sind die magnetischen Speicher nicht fl{\"u}chtig und zudem m{\"u}ssen deren Informationsgehalte nicht wie bei DRAM immer wieder aufgefrischt werden. Um die jeweiligen Vorteile der Materialklassen - die magnetisch energiesparende sowie dauerhafte Speicherf{\"a}higkeit der Metalle und die logischen Operationen der Halbleiter - miteinander kombinieren zu k{\"o}nnen und damit neuartige Bauelemente wie z.B. MRAMs (logische Operationen und dauerhafte Speicherung) zu bauen, sind ferromagnetischen Halbleiter unverzichtbar. Auf dieser Basis k{\"o}nnten Speicherelemente und Datenverarbeitung in einem einzigen Element (Halbleiter) dargestellt werden. Zugleich braucht man aber auch neue Wege, um diese Speicher zu magnetisieren und sp{\"a}ter auslesen zu k{\"o}nnen. Ein weiterer Vorteil liegt zudem darin, dass hierzu kein Einsatz beweglicher Teile notwendig ist. Die Magnetisierungskontrolle muss aber temperaturunabh{\"a}ngig sein! Der am besten erforschte ferromagnetische Halbleiter ist (Ga,Mn)As, der deswegen die Modellrolle einnimmt und als Prototyp f{\"u}r alle ferromagnetischen Halbleiter dient. Die Kopplung seiner magnetischen und halbleitenden Eigenschaften durch Spin-Bahn-Wechselwirkung ist die Ursache vieler neuer Transportph{\"a}nomene in diesem Materialsystem. Diese Ph{\"a}nomene sind vielfach die Grundlage f{\"u}r neuartige Anwendungen, Bauteildesigns und Wirkprinzipien. Das Ziel dieser Arbeit ist es, die interessanten Anisotropien in (Ga,Mn)As, die von der sehr starken Spin-Bahn-Kopplung im Valenzband herr{\"u}hren zu nutzen, sowie neue spinbezogene Effekte in verschiedenen magnetischen Bauelementen zu realisieren. Die vorliegende Arbeit gliedert sich wie folgt: In Kapitel 1 wird auf die grundlegenden Eigenschaften des (Ga,Mn)As und einige neuartige Spineffekten, die dieses Material mit sich bringt, eingegangen. Das zur Erzeugung dieser Effekte notwendige fertigungstechnische Wissen, f{\"u}r die lithografische Erzeugung der spintronisch bzw. caloritronisch aktiven Nanostrukturen, wird im Kapitel 2 beschrieben. Um mit dieser Welt der Spineffekte „kommunizieren" und die Effekte kontrollieren zu k{\"o}nnen, sind entsprechend angepasste und funktionsf{\"a}hige Kontaktierungen notwendig. Mit der detaillierten Herstellung und Analyse dieser Kontakte besch{\"a}ftigt sich das Kapitel 3. Es wurden zwei Arten von Kontakten hergestellt und bei den Proben eingesetzt: in situ (innerhalb der MBE-Wachstumskammer) und ex situ. Zusammenfassend l{\"a}sst sich sagen, dass bei der ex situ-Probenpr{\"a}paration, die Reproduzierbarkeit der Kontakte, besonders bei logisch magnetischen Elementen, nicht gew{\"a}hrleistet werden konnte. Bei funktionierender Kontaktierung war das magnetische Verhalten dann jedoch stets gleich. Bei den in situ-Kontakten war zwar einerseits das elektrische Verhalten reproduzierbar und sehr gut, aber das magnetische Verhalten war nicht zufriedenstellend, da die Relaxation nicht vollst{\"a}ndig stattfand. Im Rahmen dieser Arbeit konnten die ex situ-Kontakte optimiert werden. Dabei wurde auf die Problematiken bereits existierender Proben eingegangen und es wurden verschiedene L{\"o}sungsan s{\"a}tze daf{\"u}r gefunden. So konnte z.B. gezeigt werden, dass die Haftungsprobleme haupts{\"a}chlich auf dem unsaubere Oberfl{\"a}chen zur{\"u}ckzuf{\"u}hren sind. Jede Schicht, die zwischen aufgedampfter Metallschicht und dem dotierten Halbleiter bestehen bleibt, unabh{\"a}ngig davon, ob es sich dabei um eine oxidierte Schicht, Lackreste oder eine, zum Teil verarmte Schicht handelt, beeintr{\"a}chtigt die Funktionalit{\"a}t der Kontakte. Je kleiner die Dimension der Kontakte, desto st{\"a}rker wirkt sich die unsaubere Oberfl{\"a}che aus. So konnte gezeigt werden, dass ab einer Gr{\"o}ße von ca. 500nm_500nm die Zuverl{\"a}ssigkeit der Kontakte elementar von der Reinheit der Oberfl{\"a}chen und deren Homogenit{\"a}t beeinflusst wird. Zur Abwendung dieser Komplikationen werden verschiedene L{\"o}sungsans{\"a}tze vorgeschlagen. Wird die Oberfl{\"a}che mit hochenergetischen Ionen versetzt, verarmt deren Dotierung, was zu einer massiven {\"A}nderung der Leitf{\"a}higkeit f{\"u}hrt. Daher wurden entweder v{\"o}llig andere Prozessparameter zur Reinigung eingesetzt, die den dotierten HL nicht verarmen oder einer der nasschemischen Schritte wurde so angepasst, dass die extrem verarmte Schicht der HL-Oberfl{\"a}che entfernt wurde. Die einfachsten spintronischen Bauelemente (Streifen) und magnetischen Logikelemente sowie deren Ergebnisse werden im Kapitel 4 diskutiert. Hier wurde eindeutig gezeigt, dass die Streifen bei niedrigen Stromdichten nicht v{\"o}llig uniaxial sind, w{\"a}hrend bei erh{\"o}hten Stromdichten die Uniaxialit{\"a}t immer dominanter wird. Dies war jedoch zu erwarten, da bei erh{\"o}hten Stromdichten die Temperatur auch ansteigt und da, bei erh{\"o}hter Temperatur, die biaxiale Anisotropie mit M4, die uniaxiale aber jedoch nur mit M2 abf{\"a}llt - die dominante Anisotropie wechselt folglich von biaxial zu uniaxial [2]. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Grundlagen gelegt, um Speicherelemente und Datenverarbeitung in einem einzigen Halbleiter (Ga,Mn)As herzustellen. Auf Basis dieser Arbeit und den dabei gewonnenen litographischen Erkentnissen wurden, in nachfolgenden Arbeiten, solche Bauelemente realisiert [3]. Spin-Kaloritronik: Wie schon Eingangs erw{\"a}hnt, wird im Allgemeinen davon ausgegangen, dass die Miniaturisierung der zuk{\"u}nftigen Elektronik weitergef{\"u}hrt werden kann. Bei stetiger Verkleinerung der Strukturen kommt es in heutigen Anwendungen zu immer gr{\"o}ßeren Problemen bei der W{\"a}rmeabfuhr. Die Folgen der Temperaturdifferenzen innerhalb der Strukturen f{\"u}hren dabei zu sog. Hotspots oder sogar Materialsch{\"a}den. Temperaturunterschiede m{\"u}ssen aber nicht nur negative Auswirkungen haben. So wurde an einem ferromagnetischen System aus Nickel, Eisen und Platin der sogenannte Spin-Seebeck-Effekt gemessen, bei dem die Elektronen in den Regionen verschiedener Temperatur unterschiedliche Spinpolarisationen zeigen [4]. Eine Batterie, die diesen spinpolarisierten Strom nutzt, k{\"o}nnte einen entscheidenden Fortschritt in der Spintronik bedeuten. Dieser Bereich der Forschung an thermoelektrischen Effekten, bei denen ferromagnetische Materialien involviert sind, wird auch „spin-caloritronics" genannt [5]. Die Kapitel 5 und 6 besch{\"a}ftigen sich mit einer neuartigen Klasse spintronischer Bauteile. wh{\"a}rend das Kapitel 5 sich mit einer neuartigen Klasse spintronischer Bauteile, f{\"u}r die von uns als Bezeichnung TAMT („tunnel anisotropic magneto thermopower") eingef{\"u}hrt wurde, besch{\"a}ftigt, wird in Kapitel 6 an einem ver{\"a}nderten Probenlayout der Nernst-Effekt nachgewiesen. Die Geometrie wurde in beiden f{\"a}llen so gew{\"a}hlt und hergestellt, dass durch die Anisotropien des (Ga,Mn)As die beiden thermoelektrische Effekte (Seebeck- und Nernst-Effekt) auf einen n+-p+-{\"U}bergang {\"u}bertragen werden konnten. Durch einen Strom, in einem mit Silizium hoch dotierten GaAs-Heizkanal, kann jeweils ein vertikaler Temperaturgradient erzeugt werden. Die hierbei entstehenden Thermospannungen wurden durch eine vollst{\"a}ndige elektrische Charaktri sierungsmessung mit Hilfe pr{\"a}ziser Lock-in-Verst{\"a}rker-Technik detektiert. Das Kapitel 5 besch{\"a}ftigt sich mit allen Bereichen, von der Idee bis hin zu Messungen und Analysen des Seebeck-Effektes an einem n-p-{\"U}bergang (TAMT). Außerdem ist ein sehr einfaches numerisches Modell dargestellt, dass den gefundenen Effekt theoretisch beschreibt. Durch die bekannten thermoelektrischen Effekte ergibt sich ein Temperaturgradient der immer zu einer Thermospannung und somit zu einem Thermostrom entlang des Gradienten f{\"u}hrt. F{\"u}r zuk{\"u}nftige Entwicklungen ist es demnach wichtig, diese Effekte zu beachten und diese bei elektrischen Messungen an Nanostrukturen als m{\"o}gliche, zus{\"a}tzliche Ursache eines Messsignals in Betracht zu ziehen. In den vorliegenden Proben ist der Seebeck-Effekt stark anisotrop, mit einem gr{\"o}ßeren Thermospannungswert f{\"u}r Magnetisierungen entlang der magnetisch harten Achsen des (Ga,Mn)As. Es wurde ein einfaches Model entwickelt, welches das Tunneln von Elektronen zwischen zwei unterschiedlich warmen Bereichen erkl{\"a}rt. Die Abh{\"a}ngigkeit des Effekts von der Temperatur des Heizkanals wurde anhand dieses Models sowohl qualitativ als auch gr{\"o}ßenordnungsm{\"a}ßig korrekt beschrieben. Die Nernst-Proben wurden von der Theorie bis zur Herstellung so entwickelt, dass in derselben Anordnung eine im (Ga,Mn)As senkrecht zum Temperaturgradienten gerichtete Spannung zus{\"a}tzlich gemessen werden konnte. Diese wurde durch den Nernst-Effekt erkl{\"a}rt. Besonders interessant war, dass die Gr{\"o}ße der Nernst-Spannung hierbei mit der Magnetisierung im (Ga,Mn)As verkn{\"u}pft ist und somit ein aus der typischen Magnetisierungsumkehr hervorgehendes Verhalten zeigt. Gegen{\"u}ber den Magnetowiderstandseffekten entsteht beim Nernst-Effekt in sogenannten Fingerprints (vgl. Kapitel 1.3.3) ein dreistufiges Farbmuster anstelle eines zweistufigen hoch-tief-Systems. Die entstehende Temperatur im Heizkanal wird jeweils durch eine longitudinale Widerstandsmessung in einem senkrecht zum Kanal gerichteten {\"a}ußeren Magnetfeld bestimmt. Die Magnetfeldabh{\"a}ngigkeit des Widerstands kommt hierbei durch den Effekt der schwachen Lokalisierung in d{\"u}nnen Filmen zustande. Zusammenfassend stellen die Magneto-Thermoelektrizit{\"a}tseffekte eine wichtige weitere Transporteigenschaft in ferromagnetischen Halbleitern dar, die mit der Magnetisierung direkt zusammenh{\"a}ngen. In dieser Arbeit wurden Thermospannungen an (Ga,Mn)As-Schichten mit vergleichsweise hoher Mangankonzentration untersucht. Allerdings sind die Thermoelektrizit{\"a}tseigenschaften zusammen mit Magneto-Widerstandsmessungen in Zukunft in der Lage, zus{\"a}tzliche Informationen {\"u}ber die Bandstruktur sowie die Ladungstr{\"a}gereigenschaften in Materialsystemen mit niedrigerem Mangangehalt, insbesondere in der N{\"a}he des Metall-Isolator-{\"U}bergangs, zu liefern. Inhalt des Anhangs ist eine ausf{\"u}hrliche Anleitung zur Optimierung der Probenherstellung bzw. der verschiedenen Bauelemente.},
  subject      = {Spintronik},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Naydenova2014,
  author    = {Naydenova, Tsvetelina},
  title     = {A Study of Seebeck and Nernst effects in (Ga,Mn)As/normal semiconductor junctions},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-101981},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2014},
  abstract  = {The discovery of the Giant Magneto Resistance (GMR) effect in 1988 by Albert Fert [Baib 88] and Peter Gr{\"u}nberg [Bina 89] led to a rapid development of the field of spintronics and progress in the information technology. Semiconductor based spintronics, which appeared later, offered a possibility to combine storage and processing in a single monolithic device. A direct result is reduced heat dissipation. The observation of the spin Seebeck effect by Ushida [Uchi 08] in 2008 launched an increased interest and encouraged research in the field of spin caloritronics. Spintronics is about the coupling of charge and spin transport. Spin caloritronics studies the interaction between heat and spin currents. In contrast to spintronics and its variety of applications, a particular spin-caloritronic device has not yet been demonstrated. However, many of the novel phenomena in spin caloritronics can be detected in most spintronic devices. Moreover, thermoelectric effects might have a significant influence on spintronic device operation. This will be of particular interest for this work. Additional knowledge on the principle of coupling between heat and spin currents uncovers an alternative way to control heat dissipation and promises new device functionalities. This thesis aims to further extend the knowledge on thermoelectrics in materials with strong spin-orbit coupling, in this case the prototypical ferromagnetic semiconductor (Ga,Mn)As. The study is focused on the thermoelectric / thermomagnetic effects at the interface between a normal metal and the ferromagnetic (Ga,Mn)As. In such systems, the different interfaces provide a condition for minimal phonon drag contribution to the thermal effects. This suggests that only band contributions (a diffusion transport regime) to these effects will be measured. Chapter 2 begins with an introduction on the properties of the studied material system, and basics on thermoelectrics and spin caloritronics. The characteristic anisotropies of the (Ga,Mn)As density of states (DOS) and the corresponding magnetic properties are described. The DOS and magnetic anisotropies have an impact on the transport prop- erties of the material and that results in effects like tunneling anisotropic magnetores- istance (TAMR) [Goul 04]. Some of these effects will be used later as a reference to the results from thermoelectric / thermomagnetic measurements. The Fingerprint tech- nique [Papp 07a] is also described. The method gives an opportunity to easily study the anisotropies of materials in different device geometries. Chapter 3 continues with the experimental observation of the diffusion thermopower of (Ga,Mn)As / Si-doped GaAs tunnel junction. A device geometry for measuring the diffusion thermopower is proposed. It consists of a Si - doped GaAs heating channel with a Low Temperature (LT) GaAs / (Ga,Mn)As contact (junction) in the middle of the channel. A single Ti / Au contact is fabricated on the top of the junction. For transport characterization, the device is immersed in liquid He. A heating current technique is used to create a temperature difference by local heating of the electron system on the Si:GaAs side. An AC current at low frequency is sent through the channel and it heats the electron population in it, while the junction remains at liquid He temperature (experimentally con- firmed). A temperature difference arises between the heating channel and the (Ga,Mn)As contact. As a result, a thermal (Seebeck) voltage develops across the junction, which we call tunnelling anisotropic magneto thermopower (TAMT), similar to TAMR. TAMT is detected by means of a standard lock-in technique at double the heating current frequency (at 2f ). The Seebeck voltage is found to be linear with the temperature difference. That dependence suggests a diffusion transport regime. Lattice (phonon drag) contribution to the thermovoltage, which is usually highly nonlinear with temperature, is not observed. The value of the Seebeck coefficient of the junction at 4.2 K is estimated to be 0.5 µV/K. It is about three orders of magnitude smaller than the previously reported one [Pu 06]. Subsequently, the thermal voltage is studied in external magnetic fields. It is found that the thermopower is anisotropic with the magnetization direction. The anisotropy is explained with the anisotropies of the (Ga,Mn)As contact. Further, switching events are detected in the thermopower when the magnetic field is swept from negative to positive fields. The switchings remind of a spin valve signal and is similar to the results from previous experiments on spin injection using a (Ga,Mn)As contacts in a non-local detection scheme. That shows the importance of the thermoelectric effects and their possible contribution to the spin injection measurements. A polar plot of the collected switching fields for different magnetization angles reveals a biaxial anisotropy and resembles earlier TAMR measurements of (Ga,Mn)As tunnel junction. A simple cartoon model is introduced to describe and estimate the expected thermopower of the studied junction. The model yields a Fermi level inside of the (Ga,Mn)As valence band. Moreover, the model is found to be in good agreement with the experimental results. The Nernst effect of a (Ga,Mn)As / GaAs tunnel junction is studied in Chapter 4. A modified device geometry is introduced for this purpose. Instead of a single contact on the top of the square junction, four small contacts are fabricated to detect the Nernst signal. A temperature difference is maintained by means of a heating current technique described in Chapter 3. A magnetic field is applied parallel to the device plane. A voltage drop across two opposite contacts is detected at 2f. It appears that a simple cosine function with a parameter the angle between the magnetization and the [100] crystal direction in the (Ga,Mn)As layer manages to describe this signal which is attributed to the anomalous Nernst effect (ANE) of the ferromagnetic contact. Its symmetry is different than the Seebeck effect of the junction. For the temperature range of the thermopower measurements the ANE coefficient has a linear dependence on the temperature difference (∆T). For higher ∆T, a nonlinear dependence is observed for the coefficient. The ANE coefficient is found to be several orders of magnitude smaller than any Nernst coefficient in the literature. Both the temperature difference and the size of the ANE coefficient require further studies and analysis. Switching events are present in the measured Nernst signal when the magnetic field is swept from positive to negative values. These switchings are related to the switching fields in the ferromagnetic (Ga,Mn)As. Usually, there are two states which are present in TAMR or AMR measurements - low and high resistance. Instead of that, the Nernst signal appears to have three states - high, middle and low thermomagnetic voltage. That behaviour is governed not only by the magnetization, but also by the characteristic of the Nernst geometry. Chapter 5 summarizes the main observations of this thesis and contains ideas for future work and experiments.},
  subject      = {Galliumarsenid},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Henn2014,
  author    = {Henn, Tobias},
  title     = {Hot spin carriers in cold semiconductors : Time and spatially resolved magneto-optical Kerr effect spectroscopy of optically induced electron spin dynamics in semiconductor heterostructures},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-110265},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2014},
  abstract  = {The present thesis "Hot spin carriers in cold semiconductors" investigates hot carrier effects in low-temperature photoinduced magneto-optical Kerr effect (MOKE) microscopy of electron spins in semiconductor heterostructures. Our studies reveal that the influence of hot photocarriers in magneto-optical pump-probe experiments is twofold. First, it is commonly assumed that a measurement of the local Kerr rotation using an arbitrary probe wavelength maps the local electron spin polarization. This is the fundamental assumption that underlies the widely used two-color MOKE microscopy technique. Our continuous-wave (cw) spectroscopy experiments demonstrate that this assumption is not correct. At low lattice temperatures the nonresonant spin excitation by the focused pump laser inevitably leads to a strong heating of the electron system. This heating, in turn, locally modifies the magneto-optical coefficient which links the experimentally observed Kerr rotation to the electron spin polarization. As a consequence, the spin-induced local Kerr rotation is augmented by spin-unrelated changes in the magneto-optical coefficient. A spatially resolved measurement of the Kerr rotation then does not correctly map the electron spin polarization profile. We demonstrate different ways to overcome this limitation and to correctly measure the electron spin profile. For cw spectroscopy we show how the true local electron spin polarization can be obtained from a quantitative analysis of the full excitonic Kerr rotation spectrum. Alternatively, picosecond MOKE microscopy using a spectrally broad probe laser pulse mitigates hot-carrier effects on the magneto-optical spin detection and allows to directly observe the time-resolved expansion of optically excited electron spin packets in real-space. Second, we show that hot photocarriers strongly modify the spin diffusion process. Owing to their high kinetic energy, hot carriers greatly enhance the electron spin diffusion coefficient with respect to the intrinsic value of the undisturbed system. Therefore, for steady-state excitation the spin diffusivity is strongly enhanced close to the pump spot center where hot electrons are present. Similarly, for short delays following pulsed excitation the high initial temperature of the electrons leads to a very fast initial expansion of the spin packet which gradually slows as the electrons cool down to the lattice temperature. While few previous publications have recognized the possible influence of hot carriers on the electron spin transport properties, the present work is the first to directly observe and quantify such hot carrier contributions. We develop models which for steady-state and pulsed excitation quantitatively describe the experimentally observed electron spin diffusion. These models are capable of separating the intrinsic spin diffusivity from the hot electron contribution, and allow to obtain spin transport parameters of the undisturbed system. We perform extensive cw and time-resolved spectroscopy studies of the lattice temperature dependence of the electron spin diffusion in bulk GaAs. Using our models we obtain a consistent set of parameters for the intrinsic temperature dependence of the electron spin diffusion coefficient and spin relaxation time and the hot carrier contributions which quantitatively describes all experimental observations. Our analysis unequivocally demonstrates that we have, as we believe for the first time, arrived at a coherent understanding of photoinduced low-temperature electron spin diffusion in bulk semiconductors.},
  subject      = {Galliumarsenid},
  language  = {en}
}