TY  - THES
A1  - Lochner, Florian
T1  - Epitaxial growth and characterization of NiMnSb layers for novel spintronic devices
T1  - Epitaktisches Wachstum und Charakterisierung von NiMnSb Schichten für neuartige Spintronikanwendungen
N2  - In dieser Dissertation wurde das epitaktische Wachstum und die Charakterisierung des halb-metallischen Ferromagneten NiMnSb vorgestellt. NiMnSb kristallisiert in der C1b Kristallstruktur, welche ähnlich der Zinkblendestruktur von häufig verwendeten III-V Halbleitern ist. Eine besondere Eigenschaft von NiMnSb ist die theoretische 100% Spin-polarisation an der Fermikante, die es zu einem perfekten Kandidaten für Spintronikexperimente macht. Eine weitere große Rolle für diese Arbeit spielten die magnetischen Eigenschaften von NiMnSb, insbesondere die niedrige magnetische Dämpfung der abgeschiedenen Schichten. Alle gewachsenen Schichten wurden mit der MBE-Technik hergestellt. Die Schichtstapel für alle unterschiedlichen Experimente und Anwendungen wurden auf InP Substrate in (001) oder (111)B Orientierung abgeschieden. Vor der NiMnSb Schicht wurde eine undotierte (In,Ga)As Pufferschicht gewachsen. Für einige Proben auf InP(111)B wurde zusätzlich eine Si-dotierte (In,Ga)As-Schicht auf die undotierte (In,Ga)As-Schicht gewachsen. Die Dotierungskonzentration der n-dotierenten Schicht wurde per ETCH-CV bestimmt. Alle Schichten wurden auf strukturelle Eigenschaften und die NiMnSb-Schichten zusätzlich auf magnetische Eigenschaften untersucht. Für die strukturellen Untersuchungen wurde die in-situ Technik RHEED und das ex-situ Werkzeug HRXRD verwendet. Auf beiden Orientierungen zeigten die RHEED-Beobachtungen eine gute Qualität der gewachsenen Puffer- und halb-metallischen Ferromagnetschichten. Dieses Ergebnis wurde durch die HRXRD-Messung bestärkt. Es konnte die vertikale Gitterkonstante bestimmt werden. Der erhaltene Wert von NiMnSb auf InP(001) a(NiMnSb_vertikal) = 5.925 Å ist in guter Übereinstimmung mit dem Literaturwert a(NiMnSb_Lit) = 5.903 Å[Cas55]. Für NiMnSb auf InP(111)B wurde eine vertikale Gitterkonstante von a(NiMnSb_vertikal) = 6.017 Å bestimmt. Die horizontale Gitterkonstante des Puffers und des halb-metallischen Ferromagneten konnte in guter Übereinstimmung mit der Substratgitterkonstante bestimmt werden. Allerdings ist dieses Ergebnis ausschließlich bis zu einer Schichtdicke von ≈40nm für NiMnSb gültig. Um diese maximale Schichtdicke zu erhöhen, wurden NiMnSb auf InP(001) Substrate gewachsen und mit einer Ti/Au-Schicht als Schutz versehen. Mit diesen Proben wurden reziproke Gitterkarten des (533) Reflex mit GIXRD am Synchrotron BW2 des HASYLAB gemessen [Kum07]. Es hat sich gezeigt, dass sich die kritische Schichtdicke mehr als verdopppeln lässt, wenn eine Ti/Au- Schicht direkt nach dem Wachstum von NiMnSb abgeschieden wird, ohne das Ultrahochvakuum (UHV) zu verlassen. Die magnetischen Eigenschaften wurden mit FMR Experimenten und SQUID bestimmt. Der gemessene magnetische Dämpfungsparameter α einer 40nm dicken NiMnSb Schicht auf InP(001) wurde zu 3.19e−3 entlang [1-10] bestimmt. Die resultierende Linienbreite von unseren Schichten auf InP(001) ist mehr als 4.88 mal kleiner als bei [Hei04] gemessen. Ein weiteres Ergebnis ist die Richtungsabhängigkeit der Dämpfung. Es wurde gemessen, dass die Dämpfung sich um mehr als 42% ändert, wenn das angelegte Feld um 45° von [1-10] nach [100] gedreht wird. Mit SQUID messten wir die Sättigungsmagnetisierung von einer 40nm dicken NiMnSb-Schicht zu 4µB. NiMnSb-Schichten auf InP(111)B Substrate wurden ebenfalls mit FMR untersucht, mit einem überraschenden Ergebnis. Diese Schichten zeigten nicht nur eine Abnahme im Anisotropiefeld mit ansteigender Schichtdicke, sondern auch ein uniaxiales Anisotropieverhalten. Dieses Verhalten kann mit Defekten in diesen Proben erklärt werden. Mit einem Rasterkraftmikroskop (AFM) wurden dreieckige Defekte gemessen. Diese Defekte haben ihren Ursprung in der Pufferschicht und beeinflussen die magnetischen Eigenschaften. Ein weiterer Teil dieser Arbeit widmete sich dem Verhalten von NiMnSb bei Temperaturen um die 80K. In unserer Probe konnte ein Phasenübergang in den Messdaten des normalen Hall Koeffizienten, anomalen Hall-Term und Leitungswiderstand nicht beobachtet werden. Der letzte Teil dieser Arbeit behandelt verschiedene Spintronikanwendungen, welche aus unseren NiMnSb-Schichten gebaut wurden. In einer ersten Anwendung agiert die Magnetisierung auf einen Strom I. Die so genannte GMR-Anwendung besteht aus InP:S(001)- 180nm undotierten (In,Ga)As - 40nm NiMnSb - 10nm Cu - 6nm NiFe - 10nm Ru in CPP Geomtrie . Wir erhielten ein MR-Verhältnis von 3.4%. In einer zweiten Anwendung agiert der Strom I auf die Magnetisierung und nutzt dabei das Phänomen des Spin-Drehmomentes aus. Dieser so genannte Spin Torque Oscillator (STO) emittiert Frequenzen im GHz Bereich (13.94GHz - 14.1GHz). Die letzte hergestellte Anwendung basiert auf dem magnetischen Wirbelphänomen. Für das Umschalten der Kernpolarität sind die gyrotropischen Frequenzen f + = 254MHz, f − = 217MHz und ein totales, statisches magnetisches Feld von nur mµ0H = 65mT nötig. Die Umkehreffizienz wurde besser als 99% bestimmt.
N2  - In this work the epitaxial growth and characterization of the half-metallic ferromagnet NiMnSb was presented. NiMnSb crystallizes in the C1b structure which is similar to the zinc blende structure from widely used III-V semiconductors. One special property of NiMnSb is the theoretical 100% spin-polarization at the Fermi edge. This makes it a perfect candidate for spintronic experiments and the material of choice for building novel spintronic devices. Another important topic in this work were the magnetic properties of NiMnSb, especially the low magnetic damping of the grown thin films. All grown layers were fabricated with the technique of MBE. The layer stacks for all different experiments and devices were grown on InP substrate in (001) or (111)B orientation. Before the NiMnSb layer a buffer layer of undoped (In,Ga)As was grown. Additional for some samples on InP(111)B, a Si doped (In,Ga)As layer was grown on top of the undoped (In,Ga)As layer. The dopant concentration of this n-doped layer was determined by ETCH-CV. All layers were investigated by structural and the NiMnSb layer additional by magnetic properties. For the structural investigation the in-situ technique RHEED and ex-situ tool HRXRD were used. RHEED observations showed a good quality of the grown buffer and half-metallic ferromagnet layers on both orientations. These results were strengthened by the HRXRD measurement. The vertical lattice constant could be determined. The received value of a(NiMnSb_vertical) = 5.925 Å for NiMnSb on InP(001) is in good agreement to the value a(NiMnSb_Lit) = 5.903 Å found in literature [Cas55]. For NiMnSb on InP(111)B a vertical lattice constant of a(NiMnSb_vertikal) = 6.017 Å could be determined. The horizontal lattice constant of the buffer and the half-metallic ferromagnet layer could be determined as the same of the substrate. For NiMnSb this conclusion is only valid up to a thickness of ≈40nm. To increase this maximum thickness, NiMnSb samples were grown on InP(001) substrates and capped with Ti/Au layers. Afterwards a reciprocal space map of the (533) reflex was drawn with GIXRD at the synchrotron beamline BW2 of HASYLAB [Kum07]. It has been shown that the critical thickness is more than doubled by depositing a Ti/Au capping directly after growth of NiMnSb without breaking the ultrahigh vacuum (UHV). The magnetic properties were determined with FMR experiments and SQUID measurements. The received magnetic damping parameter α from a 40nm thick NiMnSb layer on InP(001) could be determined to 3.19e−3 along [1-10]. The resulting line width of our NiMnSb layers on InP(001) is more than 4.88 times smaller than measured before [Hei04]. Another result is the direction dependence of the damping. It has been measured that the difference of the damping is changed by more than 42% when rotating the applied field by 45° from [1-10] to [100].With SQUID we measured a saturation magnetization of a 40nm thick NiMnSb layer as 4µB. NiMnSb layers on InP(111)B substrate where also measured with FMR with a surprising result. These layers not only showed a decreasing in the anisotropy field with increasing thickness but also an uniaxial anisotropy. This behaviour can be explained with defects on these samples. With an AFM triangle-like defects were measured. These defects originated from the buffer layer and influenced the magnetic properties. Another part of this work is dedicated to the behaviour of NiMnSb at temperatures around 80K. With our samples, no phase transition can be observed in the data of the Hall, anomalous Hall term and resistivity. The last part of this work discusses different spintronic devices build with our NiMnSb layers. In a first device the magnetization acts on the current. This Giant Magneto Resistance (GMR) device consisted of InP:S(001) - 180nm undoped (In,Ga)As - 40nm NiMnSb - 10nm Cu - 6nm NiFe - 10nm Ru in current perpendicular to plane (CPP) geometry. We received a Magneto-Resistance-Ratio of 3.4%. In a second device the current acts on the magnetization and makes use of the spin torque phenomena. This so called Spin Torque Oscillator (STO) emitted frequencies in the GHz range (13.94GHz - 14.1GHz). The last fabricated device is based on the magnetic vortex phenomena. For switching the core polarity the gyrotropic frequencies f + = 254MHz f − = 217MHz and a total static magnetic field of only mµ0H = 65mT were necessary. The reversal efficiency has been determined as better than 99% [Lou09].
KW  - Nickelverbindungen
KW  - Manganverbindungen
KW  - Molekularstrahlepitaxie
KW  - Röntgenbeugung
KW  - NiMnSb
KW  - Molecular beam epitxy
KW  - XRD
KW  - NiMnSb
KW  - Röntgendiffraktometrie
KW  - MBE
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-72276
ER  - 
TY  - THES
A1  - Riegler, Andreas
T1  - Ferromagnetic resonance study of the Half-Heusler alloy NiMnSb : The benefit of using NiMnSb as a ferromagnetic layer in pseudo-spin-valve based spin-torque oscillators
T1  - Ferromagnetische Resonanz Studie der Halb-Heusler Legierung NiMnSb
N2  - Seit der Entdeckung des Spin-Torque durch Berger und Slonczewsky im Jahre 1996 gewann dieser Effekt immer mehr an Einfluss in dem Gebiet der Spintronic. Dies geschah besonders durch den Einfluss des Spin-Torque auf die Informationsspeicher und Kommunikationstechnologien (z.B. die Möglichkeit einen magnetischen Zustand eines Speicherelementes mit Hilfe von Strom und nicht wie bisher durch das Anlegen eines magnetischen Feldes zu ändern, oder die Realisierung eines hochfrequenten Spin-Torque-Oszillator (STO). Aufgrund des direkten Zusammenhangs zwischen der Dämpfung in Ferromagneten und der kritischen Stromdichte, die nötig ist um ein Spin-Ventil zu schalten oder ein Präzidieren der Magnetisierung zu induzieren, wurde die Forschung an Ferromagneten mit geringer Dämpfung zunehmend forciert. In dieser Arbeit werden Studien der ferromagnetischen Resonanz (FMR) von NiMnSb Schichten und Transportmessungen an NiMnSb basierten Spin-Ventilen präsentiert. Das Halbmetall NiMnSb ist mit einer theoretischen 100%igen Spinpolarisation prädestiniert für die Verwendung in GMR Elementen. Neben der theoretisch vorhergesagten hohen Spinpolarisation zeigen die durchgeführten FMR Messungen einen überaus geringen Dämpfungsfaktor für dieses Material. Dieser liegt in der Größenordnung von wenigen 10-3. Somit ist die Dämpfung in NiMnSb um den Faktor zwei geringer als in Permalloy und gut vergleichbar mit epitaktisch gewachsenen Eisen-Schichten. Neben den guten Dämpfungseigenschaften zeigen jedoch theoretische Modelle den Verlust der 100%igen Spinpolarisation durch das Brechen der Translationssymmetrie an Grenzflächen und das Kollabieren der Aufspaltung im Minoritäts-Spin-Band. Da ein Wachstum in (111) Richtung diesen Prozess entgegen wirken kann, werden in dieser Arbeit zudem auf (111)(In,Ga)As gewachsene NiMnSb Schichten mittels FMR untersucht. Die Messungen an diesen Proben zeigen, im Vergleich zu (001) orientierten Schichten, eine erhöhte Dämpfung. Zudem kann bei diesen Schichten eine schichtdickenabhängige uni-direktionale magnetische Anisotropie gemessen werden. Im Hinblick auf den möglichen industriellen Einsatz in Speicherelementen werden überdies Messungen an Sub-Mikrometer großen NiMnSb Elementen auf (001) orientierten Substraten präsentiert. Die Elemente wurden mittels Elektronenstrahllithographie hergestellt und mittels FMR vermessen. Auch die so prozessierten Schichten zeigen einen Dämpfungsfaktor im unteren 10-3 Bereich. Das Auftreten von magnetostatischen Moden in den Messungen ist ein weiterer indirekter Nachweis der hohen Qualität der NiMnSb-Schichten. Im Jahre 2001 wurde von Mizukamie und seinen Kollegen eine dickenabhängige Erhöhung der Gilbertdämpfung bei, mit Metallen bedeckten, Permalloy-Schichten beobachtet. Im Jahr darauf wurde von Tserkovnyak, Brataas und Bauer eine Theorie erarbeitet die dieses Phänomen auf ein Pumpen von Spins aus dem Ferromagneten in die Metalschicht zurückführt. Aus diesem Grund werden Messungen von NiMnSb Schichten, die mit verschiedenen Metallen und Isolatoren in-situ vor Oxidation geschützt wurden, präsentiert. Nach diesen materialspezifischen Voruntersuchungen werden auf NiMnSb und Permalloy basierte Pseudo-Spin-Ventile unter Verwendung eines selbst ausrichtenden lithographischen Prozesses hergestellt. Transportmessungen an den Proben zeigen ein GMRVerhältnis von 3,4% bei Raumtemperatur und fast das doppelte bei tiefen Temperaturen. Diese sind sehr gut vergleichbar mit den besten veröffentlichten GMR-Verhältnissen für Einzelschichtsysteme. Überdies kann in den Experimenten eine viel versprechend geringe kritische Stromdichte, die nötig ist, um die magnetische Orientierung zu ändern, gemessen werden. Diese ist vergleichbar mit kritischen Stromdichten aktuellster metallbasierter GMR-Elemente oder auf dem Tunneleffekt basierenden Spin-Ventilen. Das eigentliche Potential der auf NiMnSb basierenden Spin-Ventile wird erst ersichtlich wenn diese als STO zum Emittieren hochfrequenter, durchstimmbarer und schmalbandiger elektromagnetischer Wellen verwendet werden. Auf Heusler basierende STO zeigen einen überdurchschnittlich hohen q-Faktor von 4180, sogar im Betrieb ohne extern angelegtes Magnetfeld. Dieser ist um mehr als eine Größenordnung höher als der höchste veröffentliche q-Faktor eines ohne externes Feld arbeitenden STO. Während die Heusler basierten STO ebenso wie alle anderen STO unter einer geringen Ausgangsleistung leiden, machen die Maßstäbe im Sub-Mikrometer Bereich eine On-Chip Herstellung möglich. Somit kann durch ein Parallelschalten von gekoppelten Oszillatoren eine Erhöhung der Ausgangsleistung erzielt werden.
N2  - Since the discovery of spin torque in 1996, independently by Berger and Slonczewski, and given its potential impact on information storage and communication technologies, (e.g. through the possibility of switching the magnetic configuration of a bit by current instead of a magnetic field, or the realization of high frequency spin torque oscillators (STO), this effect has been an important field of spintronics research. One aspect of this research focuses on ferromagnets with low damping. The lower the damping in a ferromagnet, the lower the critical current that is needed to induce switching of a spin valve or induce precession of its magnetization. In this thesis ferromagnetic resonance (FMR) studies of NiMnSb layers are presented along with experimental studies on various spin-torque (ST) devices using NiMnSb. NiMnSb, when crystallized in the half-Heusler structure, is a half-metal which is predicted to have 100% spin polarization, a consideration which further increases its potential as a candidate for memory devices based on the giant magnetoresistance (GMR) effect. The FMR measurements show an outstandingly low damping factor for NiMnSb, in low 10-3 range. This is about a factor of two lower than permalloy and well comparable to lowest damping for iron grown by molecular beam epitaxy (MBE). According to theory the 100% spin polarization properties of the bulk disappear at interfaces where the break in translational symmetry causes the gap in the minority spin band to collapse but can remain in other crystal symmetries such as (111). Consequently NiMnSb layers on (111)(In,Ga)As buffer are characterized in respect of anisotropies and damping. The FMR measurements on these samples indicates a higher damping that for the 001 samples, and a thickness dependent uniaxial in-plane anisotropy. Investigations of the material for device use is pursued by considering sub-micrometer sized elements of NiMnSb on 001 substrates, which were fabricated by electron-beam lithography and measured by ferromagnetic resonance. The damping remains in the low 10-3 range as determined directly by extracting the Gilbert damping from the line width. Additionally magnetostatic modes are observed in arrays of elements, which is further evidence of high material quality of the samples. By sputtering various metals on top of the NiMnSb, spin pumping from the ferromagnet into the non-magnetic layer is investigated. After these material investigations, pseudo-spin-valves using NiMnSb as one of the ferromagnet, in combination with Permalloy were fabricating using a self-aligned lithography process. These samples show a GMR ratio of 3.4% at room temperature and almost double at low temperature, comparing favourably to the best single stack GMR structures reported to date. Moreover, current induced switching measurements show promisingly low current densities are necessary to change the magnetic orientation of the free layer. These current densities compete with state-of-the-art GMR devices for metal based structures and almost with tunnel junction devices. The true potential of these devices however comes to light when they are operated as spin torque oscillators to emit high frequency, tunable, narrow spectrum electromagnetic waves. These Heusler based STOs show an outstanding q-factor of 4180, even when operating in the absence of an external field, a value which bests the highest value in the literature by more than an order of magnitude. While these devices currently still suffer from the same limited output power as all STO reported to date, their sub-micron lateral dimensions make the fabrication of an on-chip array of coupled oscillators, which is a promising path forward towards industrially relevant output power.
KW  - Nickelverbindungen
KW  - Manganverbindungen
KW  - Antimonide
KW  - Riesenmagnetowiderstand
KW  - GMR
KW  - ferromagnetische Resonanz
KW  - NiMnSb
KW  - Spin Drehmoment
KW  - NiMnSb
KW  - STO
KW  - GMR
KW  - ferromagnetic resonance
KW  - NiMnSb
KW  - spin torque
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-66305
ER  -