TY  - THES
A1  - Quast, Jan-Henrik
T1  - Influence of Hot Carriers on Spin Diffusion in Gallium Arsenide
T1  - Über den Einfluss heißer Ladungsträger auf Spindiffusion in Galliumarsenid
N2  - Since the late 20th century, spintroncis has become a very active field of research [ŽFS04]. The prospect of spin based information technology, featuring strongly decreased energy consumption and possibly quantum-computation capabilities, has fueled this interest. Standard materials, like bulk gallium arsenide (GaAs), have experienced new attention in this context by exhibiting extraordinarily long lifetimes for nonequilibrium spin information, which is an important requirement for efficient spin based information storage and transfer. Another important factor is the lengthscale over which spin information can be transported in a given material and the role of external influences. Both aspects have been studied experimentally with innovative optical methods since the late 1990s by the groups of D. D. AWSHALOM and S. A. CROOKER et al. [KA99, CS05, CFL+05]. Although the pioneering experimental approaches presented by these authors led to a variety of insights into spin propagation, some questions were raised as well. Most prominently, the classical Einstein relation, which connects the mobility and diffusivity of a given particle species, seemed to be violated for electron spins in a bulk semiconductor. In essence, nonequilibrium spins appeared to move (diffuse) faster than the electrons that actually carry the spin. However, this contradiction was masked by the fact, that the material of interest was n-type GaAs with a doping concentration directly at the transition between metallic and insulating behavior (MIT). In this regime, the electron mobility is difficult to determine experimentally. Consequently, it was not a priori obvious that the spin diffusion rates determined by the newly introduced optical methods were in contradiction with established electrical transport data.

However, in an attempt to extend the available data of optical spin microscopy, another issue surfaced, concerning the mathematical drift-diffusion model that has been commonly used to evaluate lateral spin density measurements. Upon close investigation, this model appears to have a limited range of applicability, due to systematic discrepancies with the experimental data (chapter 4). These deviations are noticeable in original publications as well, and it is shown in the present work that they originate from the local heating of electrons in the process of optical spin pumping. Based on insights gained during the second half of the 20th century, it is recapitulated why conduction electrons are easily overheated at cryogenic temperatures. The main reason is the poor thermal coupling between electrons and the crystal lattice (chapter 3). Experiments in the present work showed that a significant thermal gradient exists in the conduction band under local optical excitation of electron–hole pairs. This information was used to develop a better mathematical model of spin diffusion, which allowed to derive the diffusivity of the undisturbed system, due to an effective consideration of electron overheating. In this way, spin diffusivities of n-GaAs were obtained as a function of temperature and doping density in the most interesting regime of the metal–insulator-transition.

The experiments presented in this work were performed on a series of n-type bulk GaAs samples, which comprised the transition between metallic conductivity and electrical insulation at low temperatures. Local electron temperature gradients were measured by a hyperspectral photoluminescence imaging technique with subsequent evaluation of the electron–acceptor (e,A$^0$) line shape. The local density of nonequilibrium conduction electron spins was deduced from scanning magneto-optic Kerr effect microscopy. Numerical evaluations were performed using the finite elements method in combination with a least-squares fitting procedure.

Chapter 1 provides an introduction to historical and recent research in the field of spintronics, as far as it is relevant for the understanding of the present work. Chapter 2 summarizes related physical concepts and experimental methods. Here, the main topics are semiconductor optics, relaxation of hot conduction electrons, and the dynamics of nonequilibrium electron spins in semiconductors.

Chapter 3 discusses optical heating effects due to local laser excitation of electron–hole pairs. Experimental evaluations of the acceptor-bound-exciton triplet lines led to the conclusion that the crystal lattice is usually not overheated even at high excitation densities. Here, the heat is efficiently dissipated to the bath, due to the good thermal conductivity of the lattice. Furthermore, the heating of the lattice is inherently limited by the weak heat transfer from the electron system, which on the other hand is also the reason why conduction electrons are easily overheated at temperatures below ≈ 30 K. Spatio-spectral imaging of the electron–acceptor-luminescence line shape allowed to trace the thermal gradient within the conduction band under focused laser excitation. A heat-diffusion model was formulated, which reproduces the experimental electron-temperature trend nicely for low-doped GaAs samples of n- and p-type. For high-doped n-type GaAs samples, it could be shown that the lateral electron-temperature profile is well approximated by a Gaussian. This facilitated easy integration of hot electron influence into the mathematical model of spin diffusion.

Chapter 4 deals with magneto-optical imaging of optically induced nonequilibrium conduction-electron spins in n-GaAs close to the MIT. First, the spectral dependence of the magneto-optic Kerr effect was examined in the vicinity of the fundamental band gap. Despite the marked differences among the investigated samples, the spectral shape of the Kerr rotation could be described in terms of a simple Lorentz-oscillator model in all cases. Based on this model, the linearity of the Kerr effect with respect to a nonequilibrium spin polarization is demonstrated, which is decisively important for further quantitative evaluations.

Furthermore, chapter 4 presents an experimental survey of spin relaxation in n-GaAs at the MIT. Here, the dependence of the spin relaxation time on bath temperature and doping density was deduced from Hanle-MOKE measurements. While all observed trends agree with established literature, the presented results extend the current portfolio by adding a coherent set of data.

Finally, diffusion of optically generated nonequilibrium conduction-electron spins was investigated by scanning MOKE microscopy. First, it is demonstrated that the standard diffusion model is inapplicable for data evaluation in certain situations. A systematic survey of the residual deviations between this model and the experimental data revealed that this situation unfortunately persisted in published works. Moreover, the temperature trend of the residual deviations suggests a close connection to the local overheating of conduction electrons. Consequently, a modified diffusion model was developed and evaluated, in order to compensate for the optical heating effect. From this model, much more reliable results were obtained, as compared to the standard diffusion model. Therefore, it was shown conclusively that the commonly reported anomalously large spin diffusivities were at least in parts caused by overheated conduction electrons.

In addition to these new insights some experimental and technological enhancements were realized in the course of this work. First, the optical resolution of scanning MOKE microscopy was improved by implementing a novel scanning mechanism, which allows the application of a larger aperture objective than in the usual scheme. Secondly, imaging photoluminescence spectroscopy was employed for spatially resolved electron-temperature measurements. Here, two different implementations were developed: One for lattice-temperature measurements by acceptor–bound exciton luminescence and a second for conduction-electron temperature measurements via the analysis of the electron–acceptor luminescence line shape.

It is shown in the present work that the originally stated anomalously high spin diffusivities were caused to a large extent by unwanted optical heating of the electron system. Although an efficient method was found to compensate for the influence of electron heating, it became also evident that the classical Einstein relation was nonetheless violated under the given experimental conditions. In this case however, it could be shown that this discrepancy did not originate from an experimental artifact, but was instead a manifestation of the fermionic nature of conduction electrons.
N2  - Seit dem späten 20. Jahrhundert hat sich die sogenannte Spintronik zu einem sehr aktiven Forschungsgebiet entwickelt [ŽFS04]. Die Aussichten auf eine Spin-basierte Informationsverarbeitung mit stark reduziertem Energieverbrauch und eventuell möglichen Quantenrechenfähigkeiten hat das Forschungsinteresse erheblich angeheizt. Standard-Halbleiter-Materialien wie Galliumarsenid (GaAs) erfuhren in diesem Zusammenhang neue Aufmerksamkeit auf Grund von außergewöhnlich langen Lebensdauern für Nichtgleichgewichts-Spins, welche eine wichtige Voraussetzung für eine effiziente Spin-basierte Speicherung und Übertragung von Informationen darstellt. Weitere wichtige Faktoren sind die Distanz über die Spin-Information in einem gegebenen Material transportiert werden kann sowie die Rolle von äußeren Einflüssen. Beide Aspekte wurden experimentell mit innovativen optischen Methoden seit den späten 1990er Jahren durch die Gruppen von D. D. AWSHALOM und S. A. CROOKER untersucht [KA99, CS05, CFL+05]. Obwohl diese zukunftsweisenden experimentellen Ansätze zu einer Vielzahl von Einsichten in die Ausbreitung und Dynamik von Nichtgleichgewichts-Spins führten, wurden auch einige Fragen aufgeworfen. Am deutlichsten fiel auf, dass die Einsteinsche Beziehung zwischen Mobilität und Diffusivität für Elektronenspins in einem Volumenhalbleiter verletzt zu sein scheint. Stark vereinfacht gesagt, scheinen Nichtgleichgewichts-Spins schneller zu diffundieren als sich die dazugehörigen Elektronen bewegen können. Dieser Widerspruch könnte allerdings auch daher stammen, dass das hier untersuchte Material n-Typ GaAs mit Dotier-Konzentrationen direkt am Metall-Isolator-Übergang war. In diesem Bereich ist die korrekte experimentelle Bestimmung der Elektronenbeweglichkeit aus praktischen Gründen schwierig. Folglich konnte nicht von vornherein der Schluss gezogen werden, dass die mit den neuen optischen Methoden bestimmten Spindiffusionsraten tatsächlich im Widerspruch zu etablierten elektrischen Transportdaten standen. Es gab somit keinen unmittelbaren Grund, die quantitativen Ergebnisse in Frage zu stellen.

Bei dem Versuch, die Datenlage zur optischen Spin-Mikroskopie an GaAs systematisch zu erweitern, hat sich allerdings gezeigt, dass die mathematisch-numerische Drift-Diffusions-Analyse, die gemeinhin verwendet wurde um laterale Spindichte-Messungen auszuwerten, grundlegende Probleme aufweist. Eine genaue Analyse der Thematik hat ergeben, dass das verwendete Modell bei sehr tiefen Temperaturen nur bedingt anwendbar ist (Kapitel 4). Dies äußert sich zum Beispiel in den oben erwähnten Publikationen bereits durch deutlich sichtbare Abweichungen zwischen dem Modell und den experimentellen Daten. In der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, dass diese Diskrepanzen durch eine lokale Überhitzung der Leitungsband-Elektronen hervorgerufen wird, wie sie bei optischen Band-Band-Anregungen kaum zu vermeiden ist. Mit Hilfe von Erkenntnissen aus der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts wird rekapituliert, warum Leitungselektronen bei kryogenen Temperaturen durch optische Anregung extrem leicht überhitzt werden. Der Grund dafür ist die schlechte thermische Kopplung zwischen den Elektronen und dem Kristallgitter (Kapitel 3). Außerdem wird experimentell direkt gezeigt, dass unter lokaler optischer Anregung von Elektron–Loch-Paaren deutliche thermische Gradienten im Leitungsband entstehen. Die daraus gewonnenen Informationen werden anschließend verwendet, um das mathematische Diffusionsmodell für die Auswertung optischer Spin-Mikroskopie-Daten zu verbessern. Dies ermöglichte schließlich, die Diffusion von Nichtgleichgewichts-Spins im Leitungsband über einen weiten Temperatur- und Dotierdichtebereich am Metall-Isolator-Übergang zu untersuchen (Kapitel 4.4). Die in dieser Arbeit vorgestellten Experimente wurden an einer Reihe von n-Typ Volumen-GaAs Proben mit Dotierdichten zwischen 7 × 10$^15$cm$^−3$ und 7 × 10$^16$cm$^−3$ bei Badtemperaturen zwischen 5K und 40K durchgeführt. Die lokale Elektronentemperatur wurde mit Hilfe verschiedener bildgebender Methoden vermessen, die auf der Photolumineszenz-Messung des Elektron–Akzeptor-Übergangs (e, A$^0$) basieren. Ortsaufgelöste Spindichte-Messungen wurden mit Hilfe der abrasternden magneto-optischen Kerr-Mikroskopie vorgenommen. Die numerische Auswertung basiert größtenteils auf der Finite-Elemente-Methode in Kombination mit der iterativen Anpassung der Modelle durch die Minimierung der quadratischen Abweichung. Die Arbeit ist wie folgt strukturiert.

Die Einleitung in Kapitel 1 fasst einige zurückliegende Forschungsergebnisse und Erkenntnisse zusammen, die für das Verständnis der vorliegenden Arbeit relevant sind. In Kapitel 2 werden anschließend grundlegende physikalische Konzepte erläutert, die für die nachfolgenden Erörterungen von Bedeutung sind. Insbesondere werden hier die Themen Halbleiter-Optik, Relaxation heißer Leitungselektronen und die dynamischen Eigenschaften von Nichtgleichgewichts-Elektronenspins in Halbleitern sowie die dazugehörigen experimentellen Methoden und Techniken diskutiert.

Kapitel 3 thematisiert die Heizwirkung, die sich bei lokaler optischer Anregung von Elektron–Loch-Paaren ergibt. Experimentelle Untersuchungen der Photolumineszenz von Akzeptor-gebundenen Exzitonen führen zu dem Schluss, dass das Kristallgitter in der Regel nicht signifikant überhitzt wird. Dies gilt auch bei relativ hohen Anregungsdichten, da die eingetragene Wärme auf Grund der guten Wärmeleitfähigkeit des Gitters effizient im Kristall verteilt und zum Wärmebad abgeführt wird. Des Weiteren wird der Wärmeeintrag ins Gitter durch die schlechte thermische Kopplung der Elektronen zum Gitter beschränkt. Dies ist zugleich auch der Grund, warum die Leitungsband-Elektronen bei Temperaturen unterhalb von ca. 30K sehr leicht überhitzen können. Die räumlich-spektrale Abbildung der Photolumineszenz des Elektron–Akzeptor-Übergangs erlaubt es hier, den räumlichen Temperaturverlauf innerhalb des Leitungsbandes unter fokussierter Laseranregung sichtbar zu machen. Ein Wärmetransport-Modell wird formuliert, das bei niedrig dotierten GaAs Proben den experimentellen Verlauf der Elektronentemperatur gut wiedergibt. Bei hochdotierten Proben kann der räumliche Temperaturverlauf allerdings auch sehr gut durch eine Gauß-Kurve beschrieben werden. Diese Näherung hat den praktischen Vorteil, dass sie sich auf handhabbare Weise mit dem mathematisch Modell zur Beschreibung der Spindiffusion verbinden lässt.

Kapitel 4 befasst sich mit magneto-optischer Bildgebung von optisch induzierten Nichtgleichgewichts-Leitungselektronen-Spins in n-Typ GaAs am Metall-Isolator-Übergang. Zuerst wird die spektrale Abhängigkeit des magneto-optischen Kerr-Effekts in der spektralen Umgebung der Fundamentalbandlücke untersucht. Es wird gezeigt, dass trotz der deutlichen Unterschiede zwischen den untersuchten Proben die spektrale Form in allen Fällen sehr gut mit einem einfachen Lorentz-Oszillator-Modell angenähert werden kann. Basierend auf diesem Modell wird die Linearität des Kerr-Effekts in Bezug auf den Grad der Spinpolarisation untersucht, was für eine quantitative Auswertungen von entscheidender Bedeutung ist.

Des Weiteren wird in Kapitel 4 eine umfangreiche experimentelle Untersuchung von Spin-Relaxationszeiten in n-Typ GaAs am Metall-Isolator-Übergang vorgestellt. Dabei wurde die Abhängigkeit der Spinrelaxationszeit von der Badtemperatur und der Dotierungsdichte mit Hilfe von Hanle-MOKE Messungen ermittelt. Alle beobachteten Trends stimmen gut mit publizierten Daten überein, erweitern jedoch die vorhandene Datenlage erstmals um einen zusammenhängenden Datensatz, der einen großen Temperatur- und Dotierdichtebereich abdeckt.

Zu guter Letzt wird die Diffusion von optisch erzeugten Nichtgleichgewichts-Leitungselektronen-Spins durch abrasternde MOKE-Mikroskopie untersucht. Hier wird erstmals gezeigt, dass das Standard-Diffusions-Modell in bestimmten Situationen nicht zur Auswertung verwendet werden kann. Eine systematische Übersicht über die Abweichungen zwischen diesem Modell und den experimentellen Daten zeigt, dass dies leider in einigen der oben erwähnten Veröffentlichungen der Fall ist. Des Weiteren deutet die Temperaturabhängigkeit der Abweichungen auf einen engen Zusammenhang zur lokalen Überhitzung der Leitungselektronen hin. Basierend darauf wird ein modifiziertes Diffusionsmodell vorgestellt, bei dem die Auswirkung der Elektronenüberhitzung berücksichtigt wird. Dieses Modell erweist sich als sehr viel zuverlässiger für die Ermittlung von Spindiffusionsraten, welche dadurch erstmals systematisch für einen großen Temperatur- und Dotierbereich erfasst werden konnten. Dies ist ein starkes Indiz dafür, dass die häufig beobachteten ungewöhnlich hohen Spindiffusionsraten zumindest teilweise auf die Überhitzung der Leitungselektronen zurückzuführen sind.

Zusätzlich zu diesen neuen Erkenntnissen wurden im Zuge dieser Arbeit einige experimentelle und technologische Optimierungen entwickelt und realisiert. Zunächst wurde die optische Auflösung der Raster-MOKE-Mikroskopie durch die Implementierung einer neuen Raster-Methode verbessert. Des Weiteren wurden zwei verschiedene Arten der bildgebenden Photolumineszenz-Spektroskopie implementiert und optimiert, um ortsaufgelöste Messungen der Elektronen- und Gittertemperatur durchzuführen.

In der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, dass die oftmals angegeben sehr hohen Spindiffusionsraten zu einem großen Teil durch die Überhitzung des Elektronensystems verursacht werden. Obwohl eine effiziente Methode gefunden wurde, den Einfluss dieser Überhitzung mathematisch zu berücksichtigen, ist es dennoch offensichtlich, dass die klassische Einstein-Beziehung unter den gegebenen Versuchsbedingungen nicht immer erfüllt war. In diesem Fall kann jedoch argumentiert werden, dass die Ursache hierfür kein experimentelles Artefakt war, sondern eine Manifestation der fermionischen Natur der Leitungsbandelektronen.
KW  - Galliumarsenid
KW  - Heißes Elektron
KW  - Spindiffusion
KW  - Spintronik
KW  - spindiffusion
KW  - Semiconductor
KW  - Hot electron
KW  - Optische Spektroskopie
KW  - Spintronics
KW  - Diffusion
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-147611
ER  - 
TY  - THES
A1  - Bieker, Steffen
T1  - Time and Spatially Resolved Photoluminescence Spectroscopy of Hot Excitons in Gallium Arsenide
T1  - Orts- und Zeitaufgelöste Photolumineszenzspektroskopie Heißer Exzitonen in Galliumarsenid
N2  - The present thesis investigates the impact of hot exciton effects on the low-temperature time and spatially resolved photoluminescence (PL) response of free excitons in high-purity gallium arsenide (GaAs). The work at hand extends available studies of hot carrier effects, which in bulk GaAs have up to now focused on hot electron populations. In crucial distinction from previous work, we extensively study the free exciton second LO-phonon replica. The benefit of this approach is twofold. First, the two LO phonon-assisted radiative recombination allows to circumvent the inherent interpretation ambiguities of the previously investigated free exciton zero-phonon line. Second, the recombination line shape of the second LO-phonon replica provides direct experimental access to the exciton temperature, thereby enabling the quantitative assessment of hot exciton effects.

In the first part of the thesis, we address the influence of transient cooling on the time evolution of an initially hot photocarrier ensemble. To this end, we investigate time-resolved photoluminescence (TRPL) signals detected on the free exciton second LO-phonon replica. Settling a long-standing question, we show by comparison with TRPL transients of the free exciton zero-phonon line that the slow free exciton photoluminescence rise following pulsed optical excitation is dominated by the slow buildup of a free exciton population and not by the relaxation of large K-vector excitons to the Brillouin zone center. To establish a quantitative picture of the delayed photoluminescence onset, we determine the cooling dynamics of the initially hot photocarrier cloud from a time-resolved line shape analysis of the second LO-phonon replica. We demonstrate that the Saha equation, which fundamentally describes the thermodynamic population balance between free excitons and the uncorrelated electron-hole plasma, directly translates the experimentally derived cooling curves into the time-dependent conversion of unbound electron-hole pairs into free excitons. 

In the second part of the thesis, we establish the impact of hot exciton effects on low-temperature spatially resolved photoluminescence (SRPL) studies. Such experiments are widely used to investigate charge carrier and free exciton diffusion in semiconductors and semiconductor nanostructures. By SRPL spectroscopy of the second LO-phonon replica, we show that above-band gap focused laser excitation inevitably causes local heating in the carrier system, which crucially affects the diffusive expansion of a locally excited exciton packet. Undistorted free exciton diffusion profiles, which are correctly described by the commonly used formulation of the photocarrier diffusion equation, are only observed in the absence of spatial temperature gradients. At low sample temperatures, the reliable determination of free exciton diffusion coefficients from both continuous-wave and time-resolved SRPL spectroscopy requires strictly resonant optical excitation.

Using resonant laser excitation, we observe the dimensional crossover of free exciton diffusion in etched wire structures of a thin, effectively two-dimensional GaAs epilayer. When the lateral wire width falls below the diffusion length, the sample geometry becomes effectively one-dimensional. The exciton diffusion profile along the wire stripe is then consistently reproduced by the steady-state solution to the one-dimensional diffusion equation.

Finally, we demonstrate the formation of macroscopic free and bound exciton photoluminescence rings in bulk GaAs around a focused laser excitation spot. Both ring formation effects are due to pump-induced local heating in the exciton system. For a quantitative assessment of the mechanism underlying the free exciton ring formation, we directly determine the exciton temperature gradient from a spatially resolved line shape analysis of the free exciton second LO-phonon replica. We demonstrate that a pump-induced hot spot locally modifies the thermodynamic population balance between free excitons and unbound electron-hole pairs described by the Saha equation, which naturally explains the emergence of macroscopic free exciton ring structures. 

In summary, we demonstrate that quantitative consideration of hot exciton effects provides a coherent picture both of the time-domain free exciton luminescence kinetics and of the distinct spatially resolved photoluminescence patterns developing under the influence of spatial photocarrier diffusion.
N2  - Die vorliegende Arbeit untersucht den Einfluss von Überheizungseffekten aufgrund nichtresonanter optischer Anregung auf die orts- und zeitaufgelöste Photolumineszenz-Dynamik freier Exzitonen in hochreinem Galliumarsenid (GaAs). Die Arbeit baut damit vorhandene Studien von Überheizungseffekten aus, welche sich in Volumen-GaAs vornehmlich auf die Untersuchung heißer Elektronenpopulationen konzentriert haben. In Abgrenzung zu vorherigen Studien erfolgt eine umfängliche Untersuchung der zweiten LO-Phonon Replik des freien Exzitons. Dieser Ansatz bietet zweifachen Nutzen. Zum einen können durch die Betrachtung des strahlenden Zerfalls freier Exzitonen unter gleichzeitiger Emission zweier LO Phononen die inhärenten Mehrdeutigkeiten bei der Interpretation der direkten Lumineszenz freier Exzitonen umgangen werden. Des Weiteren gestattet eine Linienformanayse der zweiten LO-Phonon Replik die direkte experimentelle Bestimmung der Exzitonentemperatur und schafft damit die Voraussetzung zur quantitativen Untersuchung von Überheizungseffekten im Exzitonensystem.

Im ersten Teil der Arbeit wird der Einfluss des transienten Kühlens auf die Zeitentwicklung eines anfänglich heißen Ladungsträgerensembles untersucht. Durch einen Vergleich des Signalverlaufs der direkten Exzitonenlumineszenz mit der zweiten LO-Phonon Replik kann zweifelsfrei gezeigt werden, dass der verzögerte Anstieg der Exzitonenlumineszenz durch den relativ langsamen Aufbau einer Exzitonenpopulation dominiert wird und nicht lediglich die Relaxation von Exzitonen mit großen K-Vektoren zum Zentrum der Brillouinzone widerspiegelt. Zum quantitativen Verständnis des verzögerten Lumineszenzanstiegs wird das Abkühlverhalten des anfänglich heißen Ladungsträgerensembles durch eine zeitaufgelöste Linienformanalyse der zweiten LO-Phonon Replik bestimmt. Es wird gezeigt, dass die Saha-Gleichung, welche das thermodynamische Populations-Gleichgewicht zwischen freien Exzitonen und dem unkorrelierten Elektron-Loch-Plasma beschreibt, die experimentell bestimmten Kühlkurven direkt in die zeitabhängige Umwandlung von ungebundenen Elektron-Loch-Paaren in freie Exzitonen übersetzt.

Im zweiten Teil der Arbeit werden die Auswirkungen von Überheizungseffekten im Exzitonensystem auf ortsaufgelöste Photolumineszenzmessungen bei tiefen Gittertemperaturen untersucht. Experimente dieser Art werden häufig zur Bestimmung von Ladungsträger- und Exzitonen-Diffusionskoeffizienten in Halbleitern und Halbleiter-Nanostrukturen genutzt. Durch die ortsaufgelöste Auswertung der zweiten LO-Phonon Replik kann gezeigt werden, dass fokussierte nichtresonante Laseranregung unweigerlich zu einer lokalen Überheizung des Ladungsträgersystems führt. Solche optisch induzierten Temperaturgradienten beeinflussen entscheidend die diffusive Ausbreitung eines lokal erzeugten Exzitonen-Pakets. Unverfälschte Diffusionsprofile, die korrekt durch die üblicherweise herangezogene Formulierung der Diffusionsgleichung beschrieben werden, sind ausschließlich bei Nichtanwesenheit von räumlichen Temperaturgradienten beobachtbar. Die verlässliche Bestimmung von Exzitonen-Diffusionskoeffizienten sowohl mittels zeitaufgelöster als auch stationärer ortsaufgelöster Photolumineszenzspektroskopie erfordert daher scharf resonante optische Anregung.

Unter resonanter  Laseranregung kann der Übergang von einem effektiv zweidimensionalen zu einem effektiv eindimensionalen Diffusionsverhalten freier Exzitonen in geätzten GaAs-Strukturen beobachtet werden. Die untersuchten Streifenstrukturen werden in eine dünne, effektiv zweidimensionale GaAs-Epischicht geätzt. Der dimensionale Übergang vollzieht sich, wenn die laterale Abmessung der geätzten Struktur die Diffusionslänge unterschreitet. Das stationäre Exzitonen-Diffusionsprofil wird dann korrekt durch die Lösung der eindimensionalen Diffusionsgleichung beschrieben.

Abschließend wird die Bildung makroskopischer Ringstrukturen freier und gebundener Exzitonen in Volumen-GaAs um einen fokussierten Laserspot demonstriert. Beide Ringstrukturen resultieren aus lokalen Überheizungen des Exzitonensystems, die durch nichtresonante optische Anregung hervorgerufen werden. Zum quantitativen Verständnis des zugrunde liegenden Mechanismus für die Entstehung der beobachteten Ringstrukturen wird der Temperaturgradient im Exzitonensystem durch eine ortsaufgelöste Linienformanalyse der zweiten LO-Phonon Replik bestimmt. Es wird gezeigt, dass die Ringstrukturen freier Exzitonen auf natürliche Weise durch das lokale thermodynamische Saha-Gleichgewicht zwischen Exzitonen und ungebundenen Elektron-Loch-Paaren entstehen.

Zusammenfassend zeigt die vorliegende Arbeit, dass die quantitative Berücksichtigung von Überheizungseffekten im Exzitonensystem zu einem kohärenten Gesamtbild des Lumineszenzprozesses führt, welches sowohl die zeitaufgelöste Lumineszenzkinetik freier Exzitonen als auch das Auftreten exzitonischer Ringstrukturen unter dem Einfluss räumlicher Ladungsträgerdiffusion erklärt.
KW  - Exziton
KW  - Galliumarsenid
KW  - Photoanregung
KW  - Dimensional Crossover
KW  - Photolumineszenzspektroskopie
KW  - Exciton
KW  - Diffusion
KW  - Photoluminescence
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-134419
ER  - 
TY  - THES
A1  - Henn, Tobias
T1  - Hot spin carriers in cold semiconductors : Time and spatially resolved magneto-optical Kerr effect
spectroscopy of optically induced electron spin dynamics
in semiconductor heterostructures
T1  - Heiße Spinträger in kalten Halbleitern
N2  - 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.
N2  - Die vorliegende Arbeit untersucht den Einfluss heißer Ladungsträger in pump-probe magneto-optischer Kerr-Effekt (MOKE) Tieftemperatur-Mikroskopie-Messungen der optisch induzierten Elektronenspin-Dynamik in Galliumarsenid-basierten Halbleiterheterostrukturen. Die Arbeit zeigt, dass dieser Einfluss von zweierlei Art ist.

Der erste Aspekt betrifft die magneto-optische Elektronenspin-Detektion. Es wird gewöhnlich angenommen, dass eine Messung der lokalen Kerr-Rotation unter Verwendung einer beliebigen Probelaser-Wellenlänge korrekt die lokale Elektronenspinpolarisation abbildet. Diese Prämisse ist die fundamentale Grundlage der MOKE Elektronenspin-Mikroskopie. Unsere Dauerstrich-Spektroskopie-Ergebnisse belegen, dass diese Annahme im Allgemeinen nicht korrekt ist.

Bei tiefen Gittertemperaturen führt die nichtresonante optische Anregung spinpolarisierter Elektronen zu einer signifikanten Heizung des Elektronensystems. Diese Heizung modifiziert lokal den magneto-optischen Koeffizienten, der die im Experiment beobachtete Kerr-Rotation mit der zu messenden Elektronenspinpolarisation verknüpft. Als Konsequenz ist die spininduzierte lokale Kerr-Rotation von spinunabhängigen Änderungen des der magneto-optischen  Koeffizienten überlagert. Eine ortsaufgelöste Messung der Kerr-Rotation bildet dann im Allgemeinen nicht korrekt die lokale Elektronenspinpolarisation ab.

Wir demonstrieren verschiedene Möglichkeiten, diese Einschränkung zu überwinden und das korrekte Elektronenspin-Profil zu bestimmen. Für Dauerstrich-Anregung zeigen wir, dass das Elektronenspin-Profil korrekt durch eine quantitative Analyse des lokalen exzitonischen Kerr-Rotations-Spektrums ermittelt werden kann. Alternativ minimiert Pikosekunden-zeitaufgelöste MOKE Mikroskopie unter Verwendung eines spektral breiten gepulsten Probelasers den Einfluss heißer Elektronen auf die magneto-optische Spin-Detektion und erlaubt die direkte Beobachtung der diffusiven Ausbreitung optisch erzeugter Elektronenspin-Pakete im Realraum.

Als zweites Hauptergebnis zeigen wir, dass optische angeregte heiße Ladungsträger signifikant die Spindiffusion beeinflussen. Durch ihre hohe kinetischen Energie erhöhen heiße Photoladungsträger stark den Elektronenspin-Diffusionskoeffizienten im Vergleich zum intrinsischen Wert des ungestörten Systems. Aus diesem Grund ist bei tiefen Gittertemperaturen für lokale Dauerstrich-Anregung der Spin-Diffusionskoeffizient in der Nähe des fokussierten Pumplaserstrahls, in der heiße Elektronen vorhanden sind, stark erhöht. Analog führt für kurze Zeiten nach gepulster optischer Anregung die hohe anfängliche Elektronentemperatur zu einer sehr schnellen initialen Ausbreitung des Spin-Paktes, welche sich allmählich verlangsamt, während die Elektronen auf die Gittertemperatur abkühlen.

Während einzelne frühere Arbeiten bereits den möglichen Einfluss heißer Ladungsträger auf den Elektronenspin-Transport erkannten, ist die vorliegende Arbeit die erste, die die Wirkung heißer Träger auf die Elektronenspin-Diffusion direkt beobachtet und quantifiziert. Wir entwickeln verschiedene Modelle, die für gepulste und Dauerstrich-Anregung quantitativ die Elektronenspin-Diffusion beschreiben. Diese Modelle sind in der Lage, die intrinsische Spindiffusivität von den Beiträgen heißer Ladungsträger zu trennen und erlauben, die Spintransport-Eigenschaften des ungestörten Systems zu bestimmen.

Wir untersuchen in zeitaufgelösten und Dauerstrich-Anregungs-Experimenten die Gittertemperatur-Abhängigkeit der Spindiffusion in n-dotiertem Volumen-GaAs. Mit Hilfe unserer Modelle ermitteln wir einen konsistenten Parameter-Satz für die intrinsische Temperaturabhängigkeit der Spinrelaxationszeit und des Elektronenspin-Diffusionskoeffizienten sowie der Beiträge heißer Ladungsträger, der quantitativ alle experimentellen Beobachtungen beschreibt. Damit haben wir erstmals ein kohärentes Verständnis der optisch induzierten Tieftemperatur-Elektronenspin-Diffusion in Halbleitern entwickelt.
KW  - Galliumarsenid
KW  - Optische Spektroskopie
KW  - Heterostruktur
KW  - spintronics
KW  - Spintronik
KW  - Elektronenspin
KW  - Halbleiterphysik
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-110265
ER  - 
TY  - THES
A1  - Naydenova, Tsvetelina
T1  - A Study of Seebeck and Nernst effects in (Ga,Mn)As/normal semiconductor junctions
T1  - Eine Studie von Seebeck und Nernst Effekten in (Ga,Mn)As/Halbleiter-Übergängen
N2  - The discovery of the Giant Magneto Resistance (GMR) effect in 1988 by Albert Fert [Baib 88] and Peter Grünberg [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.
N2  - Die Entdeckung des Riesenmagnetowiderstands (GMR)-Effekts im Jahr 1988 von Albert Fert [Baib 88] und Peter Grünberg [Bina 89] führte zu einer raschen Entwicklung auf dem Gebiet der Spintronik und damit zu Fortschritten in der Informations-Technologie. Der darauf aufbauende Bereich der halbleiterbasierten Spintronik bietet darüber hinaus Möglichkeiten Speicherung und Datenverarbeitung in einem einzigen monolithischen Bauteil zu kombinieren. Eine direkte Folge davon ist eine reduzierte Wärmeableitung. Die Beobachtung des Spin-Seebeck-Effekts von Uchida [Uchi 08] im Jahr 2008 brachte ein erhöhtes Interesse hervor und führte zur Forschung im Bereich der Spin-Caloritronics. Während in der Spintronik die Kopplung von Ladungs-und Spintransport untersucht wird, liegt der Fokus der Spin-Caloritronics auf der Wechselwirkungen zwischen Wärme-und Spinstr¨omen. Im Unterschied zur Spintronik mit ihrer Vielzahl von Anwendungen wurde ein reines Spin-Caloritronics Bauteil noch nicht realiziert. Doch viele der neuen Phänomene in der Spin-Caloritronics können in den meisten Spintronik-Bauteilen auftreten. Darüber hinaus könnten thermoelektrische Effekte einen wesentlichen Einfluss auf den Betrieb der Spintronik-Bauteile haben. Dieser Punkt wird von besonderem Interesse für diese Arbeit sein. Tieferes Verständnis der Prinzipien der Kopplung zwischen Wärme- und Spinströmen kann einen alternativen Weg aufzeigen um die Wärmeableitung zu kontrollieren und verspricht neue Funktionalitäten.
Diese Dissertation zielt darauf ab die Kenntnisse über die Thermoelektrik in Materialien mit starker Spin-Bahn-Wechselwirkung zu erweitern, in diesem Fall der prototypische ferromagnetische Halbleiter (Ga,Mn)As. Die Untersuchungen konzentrieren sich auf die thermoelektrischen und -magnetischen Effekte an der Grenzfläche zwischen einem normalen Metall und dem ferromagnetischen (Ga,Mn)As. In solchen Systemen führen die unterschiedlichen Grenzflächen zu einem minimalen Beitrag des Phonon-Drags zu den thermischen Effekten. Dies legt nahe, dass nur Bandbeiträge (ein Diffusionstransport- Regime) auf diese Effekte gemessen werden.
Kapitel 2 beginnt mit einer Einführung über die Eigenschaften der untersuchten Materialsysteme, Grundlagen der Thermoelektrik und Spin-Caloritronics. Die charakteristischen Anisotropien der Zustandsdichte (DOS) von (Ga,Mn)As und die dadurch entstehenden magnetischen Eigenschaften werden beschrieben. Die DOS und die magnetische Anisotropie haben einen Einfluss auf die Transporteigenschaften des Materials und führen zu Effekten wie dem anisotropen Tunnelmagnetowiderstand (TAMR) [Goul 04]. Einige dieser Effekte werden im Weiteren als eine Referenz für die Ergebnisse der thermoelektrischen und magnetischen Messungen verwendet. Die Anisotropie- Fingerprintabduck-Technik [Papp 07a] wird ebenfalls beschrieben. Die Methode bietet die Möglichkeit, die Material-Anisotropien in verschiedenen Geometrien einfach zu unter- suchen.
Kapitel 3 schließt sich mit der experimentellen Beobachtung der Diffusions - Thermospannung an einer (Ga,Mn)As / Si-dotierten GaAs-Tunnelübergang an. Eine Bauteilgeometrie zur Messung der Diffusions-Thermospannung wird vorgeschlagen. Sie besteht aus einem Si-dotierten GaAs-Heiz-Kanal mit einem GaAs/(Ga,Mn)As-Kontakt in der Mitte des Kanals.  Ein einzelner Ti/Au-Kontakt wird an der Oberseite des Übergangs aufgebracht. Die Charakterisierung der Probe erfolgt bei 4.2 K. Ein Wechselstrom mit niedriger Frequenz wird durch den Kanal gesendet und erhöht dadurch dessen Temperatur, während der (Ga,Mn)As-Kontakt bei konstanter Temperatur im Helium-Bad bleibt. Aufgrund der Temperaturdifferenz zwischen dem Heizungskanal und dem (Ga,Mn)As- Kontakt entsteht eine thermische (Seebeck-)Spannung, die wir als anisotrope Tunnelmagnetothermospannung bezeichnen (TAMT), ähnlich dem TAMR. TAMT wird mittels Lock-In-Technik bei der doppelten Frequenz des Heizstroms detektiert. Die Seebeck- Spannung wächst dabei linear mit der Temperaturdifferenz an, was auf das Vorliegen eines reinen Diffusionstransport-Regimes hinweist. Ein Beitrag des Gitters (Phonon-Drag) zur Thermospannung, der in der Regel stark nichtlinear von der Temperatur abhängt, wird
nicht beobachtet. Der Wert des Seebeck-Koeffizienten des Übergangs bei 4.2 K wird auf
0.5 µV/K abgeschätzt. Das ist ein um drei Größenordnungen kleinerer Betrag als zuvor
von [Pu 06] berichtet. Anschließend wird die thermische Spannung unter Einfluss eines
äußeren Magnetfelds untersucht. Es zeigt sich, dass die Thermospannung eine Anisotropie mit der Magnetisierungsrichtung aufweist. Diese Anisotropie wird mit den bekannten Eigenschaften des (Ga,Mn)As-Kontakts erläutert. Ferner werden Schaltvorgänge in der Thermospannung detektiert, wenn das Magnetfeld von negativen zu positiven Werten geändert wird.  Die Schaltvorgänge erinnern an die Signale eines Spin-Ventils. Dieses Verhalten ist vergleichbar mit den Ergebnissen aus früheren Experimenten an Spininjektion mithilfe eines (Ga,Mn)As-Kontakts in nicht-lokaler Messgeometrie. Dies betont die Bedeutung der thermoelektrischen Effekte und deren mögliche Auswirkungen auf die Spininjektions-Messungen. Ein Polardiagramm der gesammelten Schaltfelder für verschiedene Magnetisierungswinkel zeigt eine zweiachsige Anisotropie und ähnelt früheren TAMR-Messungen an (Ga,Mn)As-Tunnelbarrieren. Ein einfaches Modell wird zur Beschreibung und Abschätzung der erwarteten Thermospannung am untersuchten Übergang
eingeführt. Eine gute Übereinstimmung des Modells mit den experimentellen Ergebnissen ist evident.
Der Nernst-Effekt an einem (Ga,Mn)As/GaAs-Kontakt wird im vierten Kapitel untersucht. Hierfür wird eine Modifizierung der Proben-Geometrie vorgenommen. Anstelle des einzelnen Kontakts oberhalb der Übergangsregion werden vier kleine Kontakte hergestellt. Die Temperaturdifferenz wird wiederum mittels Heizkanal gewährleistet. Das Magnetfeld ist parallel zur Probenoberfläche orientiert. Zwischen sich gegenüberliegenden Kontakten wird eine Spannungsdifferenz bei 2f detektiert. Es stellt sich heraus, dass eine Kosinus- Funktion, mit dem Winkel zwischen der Magnetisierung und der [100]-Kristallrichtung der (Ga,Mn)As Schicht als Parameter, das gemessene Signal gut beschreibt. Dieses wird auf den anormalen Nernst-Effekt (ANE) des ferromagnetischen Kontakts zurückgeführt. Die Symmetrie des ANE unterscheidet sich von der des Seebeck- Effekts des Übergangs. Im Temperaturintervall, in dem die Thermo-Spannung untersucht wurde, zeigt auch der
ANE-Koeffizient lineares Verhalten mit der Temperaturdifferenz (∆T). Für größere ∆T jedoch zeigt sich eine nichtlineare Abhängigkeit. Der ermittelte ANE Koeffizient ist um mehrere Größenordnungen kleiner als jeder andere veröffentlichte Wert. Sowohl die Temperaturabhängikeit als auch die Größe des ANE bedürfen weiterer Untersuchungen. Wird das Feld von positiven zu negativen Werten gefahren, zeigen sich Schaltvorgänge im Nernst Signal. Diese Schaltvorgänge stehen im Zusammenhang mit den Schaltfeldern des ferromagnetischen (Ga,Mn)As. Normalerweise existieren bei TAMR oder AMR Messungen zwei Zustände, einer mit geringem und einer mit hohem Widerstand. Das gemessene Nernst Signal dagegen zeigt drei Zustände - hohe, mittlere und geringe Thermomagnetische Spannung. Dieses Verhalten ist nicht nur von der Magnetisierung, sondern auch von der Charakteristik der Nernst-Geometrie beeinflusst.
Kapitel 5 fasst die wichtigsten Erkenntnisse dieser Arbeit zusammen und gibt einen Ausblick auf zukünftige Arbeiten und Experimente.
KW  - Galliumarsenid
KW  - TAMT
KW  - Manganarsenide
KW  - Spintronik
KW  - Seebeck-Effekt
KW  - Nernst-Effekt
KW  - Seebeck effect
KW  - Nernst effect
KW  - (Ga,Mn)As
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-101981
ER  - 
TY  - THES
A1  - Constantino, Jennifer Anne
T1  - Characterization of Novel Magnetic Materials: Ultra-Thin (Ga,Mn)As and Epitaxial-Growth MnSi Thin Films
T1  - Charakterisierung von neuen magnetischen Materialien: ultradünne (Ga,Mn)As und epitaktisch gewachsene MnSi Dünnschichten
N2  - 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.
N2  - Um einerseits ein fundamentales Verständnis magnetischer Wechselwirkungen zu erhalten und andererseits neue Effekte für zukünftige Anwendungen zu finden, ist es entscheidend, magnetische Phasen spintronischer Materialien zu untersuchen. In dieser Arbeit fokussieren wir uns auf grundlegende elektrische und magnetische Transporteigenschaften zweier Materialsysteme. Das sind zum Ersten ultradünne (Ga,Mn)As Filme mit parabolischen Dotierprofilen, und zum Zweiten epitaktisch gewachsene Dünnschichten aus MnSi, einem helimagnetischen Metal, dessen Entwicklung seit Kurzem in unserer Gruppe vorangetrieben wird.
KW  - Galliumarsenid
KW  - Manganarsenide
KW  - Dünne Schicht
KW  - Magnetischer Halbleiter
KW  - Helimagnetism
KW  - Manganese Silicide
KW  - Gallium Manganese Arsenide
KW  - Ferromagnetic Semiconductors
KW  - Magnetic Anisotropy
KW  - Mangansilicide
KW  - Magnetotransport
KW  - Mangan
KW  - Halbleiter
KW  - Herstellung
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-90578
ER  - 
TY  - THES
A1  - Ebel, Lars Frederik
T1  - Molecular Beam Epitaxy and Characterization of Ferromagnetic Bulk and Thin (Ga,Mn)As Layers/Heterostructures
T1  - Molekularstrahlepitaxie und Charakterisierung von dicken und dünnen ferromagnetischen (Ga,Mn)As Schichten/Heterostrukturen
N2  - Die vorgelegte Arbeit untersucht den ferromagnetischen Halbleiter (Ga,Mn)As mit seinen komplexen Eigenschaften im Hinblick auf die Optimierung der Materialeigenschaften sehr dünner (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 Einflüsse von Punktdefekten, Grenzflächen- und Oberflächen-Effekten auf dicke und dünne (Ga,Mn)As Schichten werden mit Hilfe von vereinfachten, selbstkonsistenten Berechnungen der Bandkantenverläufe 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 führt ein alternatives, parabolisches Mn-Dotierprofil mit effektiver Schichtdicke von 4 nm ein im Vergleich zu einer gleich dünnen 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 für (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 präsentiert eine Anwendung der magnetischen Anisotropiekontrolle einer dicken (Ga,Mn)As Schicht.
N2  - The present thesis studies the (Ga,Mn)As material in terms of optimization of very thin (4 nm) (Ga,Mn)As layers, epitaxially fabricated by the molecular beam epitaxy (MBE) technology. First of all, the ferromagnetic semiconductor (Ga,Mn)As with its structural, magnetic and electrical properties is introduced. The influences of point defects, interface and surface effects on bulk and thin (Ga,Mn)As layers are discussed by simplified self-consistent band alignment calculations. The experimental part is divided in three blocks: The first part studies the influence of epitaxial growth parameter conditions on electrical and magnetic properties of bulk (70 nm) (Ga,Mn)As layers. The second part introduces an alternative, parabolical Mn doping-profile instead of a 4 nm layer with a homogeneous Mn doping-profile. Improved properties of the parabolic layer have been observed as well as comparable magnetic and electrical properties to bulk (Ga,Mn)As layers, both with a Mn content of 4%. MBE growth parameters for the (Ga,Mn)As layers with a parabolically graded Mn profile and lowered nominal Mn content of 2.5% have been investigated. A narrow growth window has been found in which low-temperature (LT) layer properties are improved. The last part of this thesis presents an application of magnetic anisotropy control of a bulk (Ga,Mn)As layer.
KW  - Molekularstrahlepitaxie
KW  - ferromagnetische Halbleiter
KW  - magnetische Anisotropie
KW  - GaMnAs
KW  - Molecular Beam Epitaxy
KW  - Ferromagnetic Semiconductors
KW  - Magnetic Anisotropy
KW  - GaMnAs
KW  - Galliumarsenid
KW  - Manganarsenide
KW  - Magnetischer Halbleiter
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-83942
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schmid, Benjamin
T1  - Surface preparation and Mn states of (Ga,Mn)As investigated by means of soft- and hard x-ray photoemission spectroscopy
T1  - Oberflächenpräparation und Untersuchung der Mn Zustände in (Ga,Mn)As mit Hilfe von Photoemissionsspektroskopie im weichen und harten Röntgenbereich
N2  - The present thesis deals with surface treatment, material improvement, and the electronic structure of the diluted magnetic semiconductor (Ga,Mn)As. The two key issues are the preparation of clean surfaces and the observation of potential valence hybridizations in (Ga,Mn)As by means of photoemission spectroscopy. Several cleaning methods are applied individually to (Ga,Mn)As and their e ects are compared in detail by various methods. Based on the results of each method, a sophisticated recipe has been elaborated, which provides clean, stoichiometric, and reconstructed surfaces, even if the sample was exposed to air prior to preparation. Moreover, the recipe works equally well for intentionally oxidized surfaces. The individual advantages of ex-situ wet- chemical etching and in situ ion-milling and tempering can be combined in an unique way. In regard to the post-growth annealing in order to optimize the electronic and magnetic properties of (Ga,Mn)As, the effect of surface segregation of interstitial Mn was quantifed. It turns out that the Mn concentration at the surface increases by a factor 4.3 after annealing at 190 C for 150 h. The removal of the segregated and oxidized species by wet-chemical etching allows a tentative estimate of the content of interstitial Mn. 19-23% of the overall Mn content in as-grown samples resides on interstitial positions. The complementary results of core level photoemission spectroscopy and resonant photoemission spectroscopy give hints to the fact that a sizeable valence hybridization of Mn is present in (Ga,Mn)As. This outlines that the simple Mn 3d5-con guration is too naive to refect the true electronic structure of substitutional Mn in (Ga,Mn)As. Great similarities in the core level spectra are found to MnAs. The bonding is thus dominantly of covalent, not ionic, character. Transport measurements, in particular for very low temperatures (<10 K), are in agreement with previous results. This shows that at low temperature, the conduction is mainly governed by variable-range hopping which is in line with the presence of an impurity band formed by substitutional Mn. In the light of the presented results, it is therefore concluded that a double-exchange interaction is the dominant mechanism leading to ferromagnetic coupling in (Ga,Mn)As. The valence hybridization and the presents of an impurity band, both of which are inherent properties of substitutional Mn, are indications for a double-exchange scenario, being at variance to a RKKY-based explanation. Contributions from a RKKY-like mechanism cannot definitely be excluded, however, they are not dominant.
N2  - Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Oberflächenbehandlung, der Materialoptimierung und der elektronischen Struktur des verdünnten magnetischen Halbleiters (Ga,Mn)As. Die beiden Hauptaspekte sind dabei die Präparation sauberer Oberflächen und die Identifikation einer möglichen Valenzhybridisierung in (Ga,Mn)As mithilfe von Photoemissionspektroskopie. Mehrere Reinigungsmethoden wurden einzeln auf (Ga,Mn)As Oberflächen angewandt und deren Wirkung anhand mehrerer Untersuchungsmethoden verglichen. Basierend auf den Einzelergebnissen wurde eine spezielle Reinigungsprozedur ausgearbeitet, welche stöchiometrische, reine und wohldefinierte Oberflächen liefert, selbst wenn die Proben Umgebungsluft ausgesetzt wurde. Die beschriebene Vorgehensweise funktioniert des Weiteren auch bei absichtlich oxidierten Proben. Hierbei werden die individuellen Vorteile von ex situ nass-chemischen Ätzen, in situ Ionenstrahlätzen und Erhitzen auf besondere Art und Weise kombiniert. Im Hinblick auf das Ausheilen nach dem Wachstum konnte die Oberflächensegregation von interstitiellem Mangan quantifiziert werden, wobei sich zeigte, dass die Mangankonzentration an der Oberfläche um einen Faktor 4.3 nach 150 Stunden Ausheilen an Luft zunahm. Ein Vergleich zwischen ausgeheilten und anschließend geätzen Proben lässt eine vorsichtige Abschätzung des Anteils an interstitiellem Mangan in nicht ausheilten Proben zu. Hierbei zeigt sich, dass sich 19-23% das Gesamtgehalts an Mangan auf interstitiellen Gitterplätzen befindet. Komplementäre Untersuchungen mit Photoemissionsmethoden an Rumpfniveaus und mithilfe resonanter Photoemission geben Hinweis darauf, dass für Mangan in (Ga,Mn)As eine Valenzhybridisierung vorliegt. Dies führt zu dem Schluss, dass die simple Annahme eines zweifach positiv geladenen Mn-Atoms in 3d5-Kon guration zu pauschal ist, um die tatsächliche elektronische Struktur von substitutionellem Mn in (Ga,Mn)As widerzuspiegeln. Die Spektren zeigen eine große Ähnlichkeit zu Manganarsenid, was beweißt, dass die Bindung vorherrschend kovalenter und nicht ionischer Natur ist. Darüber hinaus sind ebenfalls durchgeführte Transportmessungen im Einklang mit bereits veröffentlichten Ergebnissen aus der Literatur. Dabei zeigt sich, dass der Ladungstransport, vor allem bei tiefen Temperaturen unterhalb von 10 K, durch variable range hopping statt findet. Dieses Verhalten steht im Einklang mit dem Vorhandensein eines Störstellenbandes, welches von substitutionellem Mn gebildet wird. Angesichts der hier gezeigten Daten kann gefolgert werden, dass ein Doppelaustausch der ausschlaggebende Mechanismus für das Auftreten ferromagnetischer Kopplung in (Ga,Mn)As ist. Sowohl die Valenzhybridisierung substitutionellem Mn als auch die Ausbildung eines Störstellenbandes durch selbiges, deuten auf einen Doppelaustausch in, was im Gegensatz zu einer RKKY-basierten Erklärung steht. Hierbei kann ein gewisse Bedeutung des RKKY-Modells nicht vollständig ausgeschlossen werden, jedoch ist diese definitiv nicht dominant.
KW  - Photoelektronenspektroskopie
KW  - Galliumarsenid
KW  - Manganarsenide
KW  - Magnetischer Halbleiter
KW  - Ferromagnetische Halbleiter
KW  - (Ga
KW  - Mn)As
KW  - Oberflächenpräparation
KW  - Photoemission spectroscopy
KW  - ferromagnetic semiconductors
KW  - (Ga
KW  - Mn)As
KW  - surface preparation
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-50057
ER  - 
TY  - THES
A1  - Rüster, Christian
T1  - Magnetotransport effects in lateral  and vertical ferromagnetic  semiconductor junctions
T1  - Magnetotransport Effekte in lateralen und vertikalen ferromagnetischen Halbleiterdioden
N2  - This work is an investigation of giant magnetoresistance (GMR), tunneling magnetoresistance (TMR) and tunneling anisotropic magnetoresistance (TAMR)effects in (Ga,Mn) based ferromagnetic semiconductor junctions. Detailed results are published in the following articles: [1] C. Rüster, T. Borzenko, C. Gould, G. Schmidt, L.W. Molenkamp, X. Liu, T.J.Wojtowicz, J.K. Furdyna, Z.G. Yu and M. Flatt´e, Very Large Magnetoresistance in Lateral Ferromagnetic (Ga,Mn)As Wires with Nanoconstrictions, Physical Review Letters 91, 216602 (2003). [2] C. Gould, C. Rüster, T. Jungwirth, E. Girgis, G.M. Schott, R. Giraud, K. Brunner, G. Schmidt and L.W. Molenkamp, Tunneling Anisotropic Magnetoresistance: A Spin-Valve-Like Tunnel Magnetoresistance Using a Single Magnetic Layer, Physical Review Letters 93, 117203 (2004). [3] C. Rüster, C. Gould, T. Jungwirth, J. Sinova, G.M. Schott, R. Giraud, K. Brunner, G. Schmidt and L.W. Molenkamp, Very Large Tunneling Anisotropic Magnetoresistance of a (Ga,Mn)As/GaAs/(Ga,Mn)As Stack, Physical Review Letters 94, 027203 (2005). [4] C. Rüster and C. Gould, T. Jungwirth, E. Girgis, G.M. Schott, R. Giraud, K. Brunner, G. Schmidt and L.W. Molenkamp, Tunneling anisotropic magnetoresistance: Creating a spin-valve-like signal using a single ferromagnetic semiconductor layer, Journal of Applied Physics 97, 10C506 (2005).
N2  - Diese Arbeit enthält Untersuchungen von Magnetowiderstandseffekten in (Ga,Mn)As basierten ferromagnetischen Halbleiterdioden. Die Resultate wurden in den folgenden Artikeln veröffentlicht: [1] C. Rüster, T. Borzenko, C. Gould, G. Schmidt, L.W. Molenkamp, X. Liu, T.J.Wojtowicz, J.K. Furdyna, Z.G. Yu and M. Flatt´e, Very Large Magnetoresistance in Lateral Ferromagnetic (Ga,Mn)As Wires with Nanoconstrictions, Physical Review Letters 91, 216602 (2003). [2] C. Gould, C. Rüster, T. Jungwirth, E. Girgis, G.M. Schott, R. Giraud, K. Brunner, G. Schmidt and L.W. Molenkamp, Tunneling Anisotropic Magnetoresistance: A Spin-Valve-Like Tunnel Magnetoresistance Using a Single Magnetic Layer, Physical Review Letters 93, 117203 (2004). [3] C. Rüster, C. Gould, T. Jungwirth, J. Sinova, G.M. Schott, R. Giraud, K. Brunner, G. Schmidt and L.W. Molenkamp, Very Large Tunneling Anisotropic Magnetoresistance of a (Ga,Mn)As/GaAs/(Ga,Mn)As Stack, Physical Review Letters 94, 027203 (2005). [4] C. Rüster and C. Gould, T. Jungwirth, E. Girgis, G.M. Schott, R. Giraud, K. Brunner, G. Schmidt and L.W. Molenkamp, Tunneling anisotropic magnetoresistance: Creating a spin-valve-like signal using a single ferromagnetic semiconductor layer, Journal of Applied Physics 97, 10C506 (2005).
KW  - Galliumarsenid
KW  - Manganarsenide
KW  - Halbleiterdiode
KW  - Ferromagnetische Schicht
KW  - Magnetowiderstand
KW  - Spintronics
KW  - Ferromagnetische Halbleiter
KW  - Magnetotransport
KW  - Tunneldioden
KW  - Spintronics
KW  - ferromagnetic semiconductors
KW  - magnetotransport
KW  - tunneling diodes
Y1  - 2005
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-15554
ER  -