Alexander Gerhard Knapp

• Main focus of the present dissertation was to gain new insight about the interaction between magnetic ions and the conduction band of diluted magnetic semiconductors. This interaction in magnetic semiconductors with carrier concentrations near the metal-insulator transition (MIT) in an external magnetic field is barely researched. Hence, n-doped Zn1−xMnxSe:Cl samples were studied. Resonant Raman spectroscopy was employed at an external magnetic field between 1T and 7T and a temperature of 1.5K. The resulting magnetization of the materialMain focus of the present dissertation was to gain new insight about the interaction between magnetic ions and the conduction band of diluted magnetic semiconductors. This interaction in magnetic semiconductors with carrier concentrations near the metal-insulator transition (MIT) in an external magnetic field is barely researched. Hence, n-doped Zn1−xMnxSe:Cl samples were studied. Resonant Raman spectroscopy was employed at an external magnetic field between 1T and 7T and a temperature of 1.5K. The resulting magnetization of the material amplifies the splitting of states with opposite spins both in the valence and the conduction band. This is known as the "giant-Zeeman-effect". In this thesis, the resonance of the electron spin flip process, i.e. the enhancement of the signal depending on the excitation energy, was used as an indicator to determine the density of states of the charge carriers. The measured resonance profiles of each sample showed a structure, which consist of two partially overlapping Gaussian curves. The analysis of the Gaussian curves revealed that their respective maxima are separated independent of the magnetic field strenght by about 5 meV, which matches the binding energy of the donor bound exciton (D0, X). A widening of the full width at half maximum of the resonance profile was observed with increasing magnetic field. A detailed analysis of this behavior showed that the donor bound exciton spin flip resonance primarily accounts for the widening for all samples with doping concentrations below the metal insulator transition. A model was proposed for the interpretation of this observation. This is based on the fundamental assumptions of a spatially random distribution of the manganese ions on the group-II sublattice of the ZnSe crystal and the finite extension of the excitons. Thus, each exciton covers an individual quantity of manganese ions, which manifest as a local manganese concentration. This local manganese concentration is normally distributed for a set of excitons and hence, the evaluation of the distribution allows the determination of exciton radii Two trends were identified for the (D0, X) radii. The radius of the bound exciton decreases with increasing carrier concentration as well as with increasing manganese concentration. The determination of the (D0, X) radii by the use of resonant spin flip Raman spectroscopy and also the observation of the behavior of the (D0, X) radius depending on the carrier concentration, was achieved for the first time. For all samples with carrier concentrations below the metal-insulator transition, the obtained (X0) radii are up to a factor of 5.9 larger than the respective (D0, X) radii. This observation is explained by the unbound character of the (X0). For the first time, such an observation could be made by Raman spectroscopy.Beside the resonance studies, the shape of the Raman signal of the electron spin flip was analyzed. Thereby an obvious asymmetry of the signal, with a clear flank to lower Raman shifts, was observed. This asymmetry is most pronounced, when the spin flip process is excited near the (D0, X) resonance. To explain this observation, a theoretical model was introduced in this thesis. Based on the asymmetry of the resonantly excited spin flip signal, it was possible to estimate the (D0, X) radii, too. At external magnetic fields between 1.25T and 7T, the obtained radii lie between 2.38nm and 2.75nm. Additionally, the asymmetry of the electron spin flip signal was observed at different excitation energies. Here it is striking that the asymmetry vanishes with increasing excitation energy. At the highest excitation energy, where the electron spin flip was still detectable, the estimated radius of the exciton is 3.92nm. Beside the observations on the electron spin flip, the resonance behavior of the spin flip processes in the d-shell of the incorporated Mn ions was studied in this thesis. This was performed for the direct Mn spin flip process as well as for the sum process of the longitudinal optical phonon with the Mn spin flip. For the Stokes and anti-Stokes direct spin flip process and for the Stokes sum process, each the resonance curve is described by considering only one resonance mechanism. In contrast, resonance for the sum process in which an anti-Stokes Mn spin flip is involved, consists of two partially overlapping resonances due to different mechanisms. A detailed analysis of this resonance profile showed that for (Zn,Mn)Se at the chosen experimental parameters, an incoming and outgoing resonance can be achieved, separated by a few meV. Hereby, at a specific excitation energy range and a high excitation power, it was possible to achieve an inversion of the anti-Stokes to Stokes intensity, because only the anti-Stokes Mn spin flip process was enhanced resonantly.…
• Ziel der Dissertation war das Erlangen neuer Erkenntnisse zur Wechselwirkung der magnetischen Ionen und des Leitungsbandes von verdünnten magnetischen Halbleitern. Diese Interaktion bei magnetischen Halbleitern mit Ladungsträgerkonzentration nahe des Metall-Isolator Übergangs (metal-insulator transition MIT) in externen Magnetfeldern ist bisher kaum erforscht. Daher wurden Untersuchung n-dotierte Zn1−xMnxSe:Cl untersucht. Als Analysetechnik wurde die resonante Spin Flip Raman-Spektroskopie bei einem externen Magnetfeld zwischen 1T und 7T undZiel der Dissertation war das Erlangen neuer Erkenntnisse zur Wechselwirkung der magnetischen Ionen und des Leitungsbandes von verdünnten magnetischen Halbleitern. Diese Interaktion bei magnetischen Halbleitern mit Ladungsträgerkonzentration nahe des Metall-Isolator Übergangs (metal-insulator transition MIT) in externen Magnetfeldern ist bisher kaum erforscht. Daher wurden Untersuchung n-dotierte Zn1−xMnxSe:Cl untersucht. Als Analysetechnik wurde die resonante Spin Flip Raman-Spektroskopie bei einem externen Magnetfeld zwischen 1T und 7T und einer Temperatur von 1,5 K angewandt. Durch die entstehende Magnetisierung des Materials werden die Aufspaltungen der Zustände mit entgegengesetzten Spins sowohl im Valenz- als auch im Leitungsband verstärkt. Dies ist als "giant-Zeeman effect" bekannt. In dieser Arbeit wurde die Resonanz des Spin Flip Prozesses, d.h. die Signalerhöhung in Abhängigkeit der Anregungsenergie, als Indikator zur Bestimmung der Ladungsträgerzustandsdichte genutzt. Die gemessenen Resonanzprofile aller Proben zeigten dabei eine Struktur, welche aus sich zwei teilweise überlagernden Gaußkurven bestand. Mit steigendem Magnetfeld wurde eine deutliche Zunahme der Halbwertsbreite der Resonanzprofile beobachtet. Die detaillierte Analyse dieses Verhaltens zeigte, dass für alle Proben mit einer Dotierung unterhalb des Metall-Isolator-Übergangs, die Verbreiterung primär auf den Donor gebundenen Exzitonen Anteil der Resonanzkurve entfällt. Zur Deutung dieser Beobachtung wurde ein Modell entwickelt. Dieses beruht auf der grundlegenden Annahme einer räumlich statistisch Verteilung der Mangan-Ionen auf dem Gruppe-II Untergitter des ZnSe Kristalls, sowie der endlichen Ausdehnung der Exzitonen. Somit erfasst jedes einzelne Exziton eine individuelle Anzahl von Mangan-Ionen, was sich als lokale Mangankonzentration manifestiert. Diese lokale Mangankonzentration normalverteilt für ein Set von Exzitonen und deren Auswertung erlauben einen Rückschluss auf die Radien der Exzitonen. Zwei Trends für die (D0, X) Radien konnten identifiziert werden. Sowohl mit steigender Ladungsträgerkonzentration als auch mit steigendem Mangangehalt nimmt der Radius der gebundenen Exzitonen ab. Es gelangte erstmalig die Bestimmung der (D0, X) Radien mittels resonanter Spin Flip Raman-Spektroskopie und die Beobachtung des Verhaltens der (D0, X) Radien in Abhängigkeit der Ladungsträgerkonzentration. Die ermittelten (X0) Radien sind für die Proben mit Ladungsträgerkonzentrationen unterhalb des Metall-Isolator-Übergangs im Vergleich zu den (D0, X) Radien um einen Faktor von bis zu 5,9 größer. Diese Beobachtung lässt sich durch den ungebundenen Charakter der (X0) erklären. Aufgrund dessen erfasst ein (X0) während seiner Lebenszeit im Vergleich zu einem (D0, X) einen räumlich ausgedehnteren Bereich des Kristalls. Hierdurch konnte erstmalig mittels Raman-Spektroskopie solch eine Beobachtung gemacht werden. Neben den Resonanzuntersuchungen des elektronischen Spin Flips wurde dessen Preakform im Ramanspektrum analysiert. Dabei wurde eine deutliche Asymmetrie des Signals beobachtet, sichtbar als Flanke zu niedrigeren Raman- Verschiebungen. Zur Erklärung dieser Beobachtungen kann ebenfalls das eingeführte Modell angewandt werden. Anhand der Asymmetrie des resonant angeregten Spin Flip Signals konnten hiermit die Radien der (D0, X) bestimmt werden. Zusätzlich wurde die Asymmetrie bei unterschiedlichen Anregungsenergien sichtbar. Hierbei fiel auf, dass diese mit steigender Anregungsenergie abnimmt. Desweiteren wurde zusätzlich zu den Beobachtungen des elektronischen Spin Flips, das Resonanzverhalten des Spin Flips der einzelnen Mn-Ionen in dieser Arbeit untersucht. Dies wurde sowohl für den direkten Mn Spin Flip Prozess, als auch den Summenprozesses aus einem longitudinal optischen Phonon und einem Mn Spin Flip durchgeführt. Jeweils eine Resonanz wurde sowohl für die direkten Stokes und anti-Stokes Prozesse, als auch für den Stokes Summenprozess beobachtet. Im Gegensatz hierzu besteht das Resonanzprofil des Summenprozesses, bei dem ein Anti-Stokes Mn Spin Flip involviert ist, aus zwei sich überlappenden Resonanzanteile. Eine genaue Analyse dieses Resonanzprofils ergab, dass es bei (Zn,Mn)Se und den gewählten experimentellen Parametern möglich ist, sowohl eine eingehende als auch eine ausgehende Resonanz für diesen Summenprozess mit einer Energiedifferenz von wenigen meV zu erhalten. Die zusätzlich auftretende eingehende Resonanz konnte dabei dem optischen Übergang von dem mj = 1/2 Valenzband- zum mj = -1/2 Leitungsbandzustand zugeordnet werden. Die daraufhin folgende Anregung eines LO Phonons führt zu einer Reduzierung der Energie des gestreuten Photons. Dies erzeugt die beobachtete Überlagerung der Resonanzen, gemessen in der Energie der gestreuten Photonen. Hierdurch war es möglich, bei geeigneter Anregungsenergie und hoher Anregungsleistung eine Inversion der Anti-Stokes zu Stokes Intensität zu beobachten, da die eingehende Resonanz in diesem Fall nur für den Anti-Stokes Mn Spin Flip auftrat…