@phdthesis{Mark2011,
  author    = {Mark, Stefan},
  title     = {A Magnetic Semiconductor based Non-Volatile Memory and Logic Element},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-71223},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2011},
  abstract  = {For the realization of a programmable logic device, or indeed any nanoscale device, we need a reliable method to probe the magnetization direction of local domains. For this purpose we extend investigations on the previously discovered tunneling anisotropic magneto resistance effect (TAMR) by scaling the pillar size from 100 µm down to 260 nm. We start in chapter 4 with a theoretical description of the TAMR effect and show experimental data of miniaturized pillars in chapter 5. With such small TAMR probes we are able to locally sense the magnetization on the 100 nm scale. Sub-micron TAMR and anisotropic magneto resistance (AMR) measurements of sub-millimeter areas show that the behavior of macroscopic (Ga,Mn)As regions is not that of a true macrospin, but rather an ensemble average of the behavior of many nearly identical macrospins. This shows that the magnetic anisotropies of the local regions are consistent with the behavior extracted from macroscopic characterization. A fully electrically controllable read-write memory device out the ferromagnetic semiconductor (Ga,Mn)As is presented in chapter 6. The structure consists of four nanobars which are connected to a circular center region. The first part of the chapter describes the lithography realization of the device. We make use of the sub-micron TAMR probes to read-out the magnetization state of a 650 nm central disk. Four 200 nm wide nanobars are connected to the central disk and serve as source and drain of a spin-polarized current. With the spin-polarized current we are able to switch the magnetization of the central disk by means of current induced switching. Injecting polarized holes with a spin angular momentum into a magnetic region changes the magnetization direction of the region due to the p-d exchange interaction between localized Mn spins and itinerant holes. The magnetization of the central disk can be controlled fully electrically and it can serve as one bit memory element as part of a logic device. In chapter 7 we discuss the domain wall resistance in (Ga,Mn)As. At the transition from nanobars to central disk we are able to generate 90° and 180° domain walls and measure their resistance. The results presented from chapter 5 to 7 combined with the preexisting ultracompact (Ga,Mn)As-based memory cell of ref. [Papp 07c] are the building blocks needed to realize a fully functioning programmable logic device. The work of ref. [Papp 07c] makes use of lithographically engineered strain relaxation to produce a structure comprised of two nanobars with mutually orthogonal uniaxial easy axes, connected by a narrow constriction. Measurements showed that the resistance of the constriction depends on the relative orientation of the magnetization in the two bars. The programmable logic device consists of two central disks connected by a small constriction. The magnetization of the two central disks are used as the input bits and the constriction serves as the output during the logic operation. The concept is introduced in the end of chapter 6 and as an example for a logic operation an XOR gate is presented. The functionality of the programmable logic scheme presented here can be straightforwardly extended to produce multipurpose functional elements, where the given geometry can be used as various different computational elements depending on the number of input bits and the chosen electrical addressing. The realization of such a programmable logic device is shown in chapter 8, where we see that the constriction indeed can serve as a output of the logic operation because its resistance is dependent on the relative magnetization state of both disks. Contrary to ref. [Papp 07c], where the individual magnetic elements connected to the constriction only have two non-volatile magnetic states, each disk in our scheme connected to the constriction has four non-volatile magnetic states. Switching the magnetization of a central disk with an electrical current does not only change the TAMR read-out of the respective disk, it also changes the resistance of the constriction. The resistance polar plot of the constriction maps the relative magnetization states of the individual disks. The presented device design serves as an all-electrical, all-semiconductor logic element. It combines a memory cell and data processing in a single monolithic paradigm.},
  subject      = {Magnetischer Halbleiter},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Pappert2007,
  author    = {Pappert, Katrin},
  title     = {Anisotropies in (Ga,Mn)As - Measurement, Control and Application in Novel Devices},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-23370},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2007},
  abstract  = {Ferromagnetic semiconductors (FS) promise the integration of magnetic memory functionalities and semiconductor information processing into the same material system. The prototypical FS (Ga,Mn)As has become the focus of semiconductor spintronics research over the past years. The spin-orbit mediated coupling of magnetic and semiconductor properties in this material gives rise to many novel transport-related phenomena which can be harnessed for device applications. In this thesis we address challenges faced in the development of an all-semiconductor memory architecture. A starting point for information storage in FS is the knowledge of their detailed magnetic anisotropy. The first part of this thesis concentrates on the investigation of the magnetization behaviour in compressively strained (Ga,Mn)As by electrical means. The angle between current and magnetization is monitored in magnetoresistance(MR) measurements along many in-plane directions using the Anisotropic MR(AMR) or Planar Hall effect(PHE). It is shown, that a full angular set of such measurements displayed in a color coded resistance polar plot can be used to identify and quantitatively determine the symmetry components of the magnetic anisotropy of (Ga,Mn)As at 4 K. We compile such "anisotropy fingerprints" for many (Ga,Mn)As layers from Wuerzburg and other laboratories and find the presence of three symmetry terms in all layers. The biaxial anisotropy term with easy axes along the [100] and [010] crystal direction dominates the magnetic behaviour. An additional uniaxial term with an anisotropy constant of ~10\% of the biaxial one has its easy axis along either of the two <110> directions. A second contribution of uniaxial symmetry with easy axis along one of the biaxial easy axes has a strength of only ~1\% of the biaxial anisotropy and is therefore barely visible in standard SQUID measurements. An all-electrical writing scheme would be desirable for commercialization. We report on a current assisted magnetization manipulation experiment in a lateral (Ga,Mn)As nanodevice at 4 K (far below Tc). Reading out the large resistance signal from DW that are confined in nanoconstrictions, we demonstrate the current assisted magnetization switching of a small central island through a hole mediated spin transfer from the adjacent leads. One possible non-perturbative read-out scheme for FS memory devices could be the recently discovered Tunneling Anisotropic MagnetoResistance (TAMR) effect. Here we clarify the origin of the large amplification of the TAMR amplitude in a device with an epitaxial GaAs tunnel barrier at low temperatures. We prove with the help of density of states spectroscopy that a thin (Ga,Mn)As injector layer undergoes a metal insulator transition upon a change of the magnetization direction in the layer plane. The two states can be distinguished by their typical power law behaviour in the measured conductance vs voltage tunneling spectra. While all hereto demonstrated (Ga,Mn)As devices inherited their anisotropic magnetic properties from their parent FS layer, more sophisticated FS architectures will require locally defined FS elements of different magnetic anisotropy on the same wafer. We show that shape anisotropy is not applicable in FS because of their low volume magnetization. We present a method to lithographically engineer the magnetic anisotropy of (Ga,Mn)As by submicron patterning. Anisotropic strain relaxation in submicron bar structures (nanobars) and the related deformation of the crystal lattice introduce a new uniaxial anisotropy term in the energy equation. We demonstrate by both SQUID and transport investigations that this lithographically induced uniaxial anisotropy overwrites the intrinsic biaxial anisotropy at all temperatures up to Tc. The final section of the thesis combines all the above into a novel device scheme. We use anisotropy engineering to fabricate two orthogonal, magnetically uniaxial, nanobars which are electrically connected through a constriction. We find that the constriction resistance depends on the relative orientation of the nanobar magnetizations, which can be written by an in-plane magnetic field. This effect can be explained with the AMR effect in connection with the field line patterns in the respective states. The device offers a novel non-volatile information storage scheme and a corresponding non-perturbative read-out method. The read out signal is shown to increase drastically in samples with partly depleted constriction region. This could be shown to originate in a magnetization direction driven metal insulator transition of the material in the constriction region.},
  subject      = {Anisotropie},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Wenisch2008,
  author    = {Wenisch, Jan},
  title     = {Ferromagnetic (Ga,Mn)As Layers and Nanostructures: Control of Magnetic Anisotropy by Strain Engineering},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-34552},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2008},
  abstract  = {This work studies the fundamental connection between lattice strain and magnetic anisotropy in the ferromagnetic semiconductor (Ga,Mn)As. The first chapters provide a general introduction into the material system and a detailed description of the growth process by molecular beam epitaxy. A finite element simulation formalism is developed to model the strain distribution in (Ga,Mn)As nanostructures is introduced and its predictions verified by high-resolution x-ray diffraction methods. The influence of lattice strain on the magnetic anisotropy is explained by an magnetostatic model. A possible device application is described in the closing chapter.},
  subject      = {Magnetischer Halbleiter},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Gold2005,
  author    = {Gold, Stefan},
  title     = {Winkel- und Temperaturabh{\"a}ngigkeit der magnetokristallinen Anisotropieenergie und der mikroskopischen magnetischen Momente des ferromagnetischen Halbmetalls CrO2},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-20141},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2005},
  abstract  = {Im Rahmen dieser Arbeit wurden die magnetischen Eigenschaften des Halbmetalls CrO2 untersucht. CrO2 hat in den letzten Jahren erneut ein sehr starkes Interesse erfahren. Der Grund hierf{\"u}r liegt darin, dass dieses Material, aufgrund seiner theoretisch vorhergesagten und inzwischen nachgewiesenen Spinpolarisation von nahezu 100 \% an der Fermikante und seiner metastabilen Eigenschaften, ein stark diskutierter Kandidat f{\"u}r Spintronic-Anwendungen wie den Quantencomputer ist. Die M{\"o}glichkeit der Spininjektion ist f{\"u}r CrO2 gegeben und in der Zwischenzeit auch erfolgreich umgesetzt worden. Die Untersuchungen zielten auf eine Erkl{\"a}rung f{\"u}r die intrinsischen Eigenschaften wie magnetokristalline Anisotropie, magnetischer Dipolterm und dem eigentlich gequenchten Bahnmoment. Die Untersuchungen fanden an den Cr L2,3 und an der O K Kante statt. Insbesondere f{\"u}r die Auswertung an den Cr L2,3-Kanten war es notwendig, mit einer neuartigen Auswertemethodik s{\"a}mtliche aufgenommenen Daten zu analysieren, da eine herk{\"o}mmliche Summenregelauswertung leider nicht durchgef{\"u}hrt werden konnte. Der Grund hierf{\"u}r lag in der zu geringen L2,3-Aufspaltung des leichten 3d-{\"U}bergangmetalls Cr. Mit Hilfe der so genannten Momentenanalyse war es nun m{\"o}glich, die {\"u}berlappenden Strukturen voneinander zu separieren, und dar{\"u}ber hinaus auch verschiedene Anteile der Bandstruktur verschiedenen spektralen Beitr{\"a}gen zuzuordnen. Die Ergebnisse an CrO2 zeigten eine sehr starke Abh{\"a}ngigkeit des magnetischen Bahnmomentes, der Summe von Spin und magnetischem Dipolterm sowie der magnetokristallinen Anisotropieenergie vom Winkel zwischen den rutilen a- und c-Achsen. Noch mehr als das Gesamtbahnmoment zeigen zwei, mit Hilfe der Momentenanalyse separierbare, spektrale Beitr{\"a}ge starke {\"A}nderungen der einzelnen Bahnmomente. Dieses unerwartete und ausgepr{\"a}gte Verhalten konnte mittels eines Vergleichs mit den Sauerstoff K-Kanten XMCD-Daten best{\"a}tigt werden, was auf eine sehr starke Hybridisierung der beiden Zust{\"a}nde schließen l{\"a}sst. Die Trennung der stark anisotropen Summe von Spin-Moment und TZ-Term {\"u}ber die Summenregel f{\"u}r den magnetischen Dipolterm liefert eine Gr{\"o}ßenordnung des TZ-Terms, wie er bis zu diesem Zeitpunkt nicht vorgefunden wurde. Ein Vergleich der magnetokristallinen Anisotropieenergie, gewonnen durch die Messung von elementspezifischen Hysteresekurven mit Hilfe des XMCD-Effektes, mit dem Brunomodell, das eine magnetisch leichte Richtung f{\"u}r die Achse mit dem gr{\"o}ßten Bahnmoment vorhersagt, kommt zu keinem positiven Ergebnis. Erst die von G. van der Laan aufgezeigte Erweiterung, in der auch der TZ-Term mit aufgenommen ist, liefert f{\"u}r das System CrO2 ein quantitativ {\"u}bereinstimmendes Ergebnis der MAE mit den gemessenen experimentellen Momenten. Erw{\"a}hnenswert in diesem Zusammenhang ist die Tatsache, dass das Bahnmoment und der magnetische Dipolterm unterschiedliche leichte Richtungen bevorzugen und beide Anteile fast gleich groß sind, wobei der magnetische Dipolterm die {\"U}berhand hat. In einem zweiten Teil der Arbeit wurde nun auch eine Temperaturabh{\"a}ngigkeit untersucht. Ziel war es, Aussagen {\"u}ber die Entstehung von Bahnmomenten, Dipolterm und MAE in Abh{\"a}ngigkeit des vorliegenden Spinmomentes zu gewinnen und diese mit vorhandenen theoretischen Modellen zu vergleichen. Das gemessene Spinmoment wurde mit SQUID-Daten verglichen und zeigte eine qualitative {\"U}bereinstimmung. Die extrahierten Bahnmomente zeigten wie der magnetische Dipolterm ein identisches Temperaturverhalten wie das Spinmoment. Dies ist ein Beweis, dass beide Momente in einem solchen System nur durch eine Kopplung mit dem Spinmoment entstehen und durch dieses verursacht sind. Im Weiteren konnte auch eine quadratische Abh{\"a}ngigkeit der MAE vom Spinmoment nachgewiesen werden. Dieses von G. van der Laan und in Vorarbeiten von P. Bruno vorhergesagte Verhalten konnte erstmalig in dieser Arbeit verifiziert werden. Zusammenfassend l{\"a}sst sich sagen, dass in dieser Arbeit das ungew{\"o}hnliche magnetische Verhalten, insbesondere die Winkelabh{\"a}ngigkeit der magnetischen Momente, durch die Kombination von XAS- und XMCD-Spektroskopie, mit der Verwendung der Momentenanalyse sowie der Untersuchung durch elementspezifische Hystereskurven, ein geschlossenes Bild des Probensystems CrO2 aufgezeigt werden konnte. Das Gesamtbild, das sich ergeben hat, zeigt ganz deutlich auf, dass eine Bandstrukturbeschreibung das gefundene Verhalten erkl{\"a}ren kann. Die allgemein vorherrschende, und sicherlich im ersten Moment deutlich intuitivere Vorstellung, dass man im Falle von CrO2 eine Art ionische Bindung h{\"a}tte, mit einer d2-Konfiguration und erwarteten 2 µB magnetischem Moment am Cr-Platz kann insbesondere die Temperaturabh{\"a}ngigkeit der Anisotropieenergie nicht erkl{\"a}ren. Auch in diesem Zusammenhang liefert das Bandmodell eine sehr gute Beschreibung.},
  subject      = {Chromoxid <Chrom(IV)-oxid>},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Ebel2013,
  author    = {Ebel, Lars Frederik},
  title     = {Molecular Beam Epitaxy and Characterization of Ferromagnetic Bulk and Thin (Ga,Mn)As Layers/Heterostructures},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-83942},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2013},
  abstract  = {Die vorgelegte Arbeit untersucht den ferromagnetischen Halbleiter (Ga,Mn)As mit seinen komplexen Eigenschaften im Hinblick auf die Optimierung der Materialeigenschaften sehr d{\"u}nner (4 nm) (Ga,Mn)As Schichten, welche mit der Technologie der Molekularstrahlepitaxie (MBE) hergestellt wurden. Zuerst werden die strukturellen, ferromagnetischen und elektrischen Eigenschaften von (Ga,Mn)As vorgestellt. Die Einfl{\"u}sse von Punktdefekten, Grenzfl{\"a}chen- und Oberfl{\"a}chen-Effekten auf dicke und d{\"u}nne (Ga,Mn)As Schichten werden mit Hilfe von vereinfachten, selbstkonsistenten Berechnungen der Bandkantenverl{\"a}ufe diskutiert. Der Experimental-Teil ist in drei Teile unterteilt: Der erste Teil untersucht den Einfluss der epitaktischen Wachstumsbedingungen auf die elektrischen und magnetischen Eigenschaften von dicken (70 nm) (Ga,Mn)As Schichten. Der zweite Teil f{\"u}hrt ein alternatives, parabolisches Mn-Dotierprofil mit effektiver Schichtdicke von 4 nm ein im Vergleich zu einer gleich d{\"u}nnen Schicht mit homogenem Mn-Dotierprofil. Es konnten einerseits verbesserte Eigenschaften dieser parabolischen Schicht erreicht werden, anderseits sind die magnetischen und elektrischen Eigenschaften vergleichbar zu dicken (Ga,Mn)As Schichten mit gleichem Mn-Gehalt von 4\%. MBE Wachstumsbedingungen f{\"u}r (Ga,Mn)As Schichten mit parabolischem Mn-Dotierprofil und verringertem nominellem Mn-Gehalt von 2.5\% wurden ebenfalls untersucht. Ein schmales Wachstumsfenster wurde hierbei ermittelt, in dem die Tieftemperatur-Eigenschaften verbessert sind. Der letzte Teil der Arbeit pr{\"a}sentiert eine Anwendung der magnetischen Anisotropiekontrolle einer dicken (Ga,Mn)As Schicht.},
  subject      = {Molekularstrahlepitaxie},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Constantino2013,
  author    = {Constantino, Jennifer Anne},
  title     = {Characterization of Novel Magnetic Materials: Ultra-Thin (Ga,Mn)As and Epitaxial-Growth MnSi Thin Films},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-90578},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2013},
  abstract  = {The study of magnetic phases in spintronic materials is crucial to both our fundamental understanding of magnetic interactions and for finding new effects for future applications. In this thesis, we study the basic electrical and magnetic transport properties of both epitaxially-grown MnSi thin films, a helimagnetic metal only starting to be developed within our group, and parabolic-doped ultra-thin (Ga,Mn)As layers for future studies and applications.},
  subject      = {Galliumarsenid},
  language  = {en}
}