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- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-opus-5495
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.10339
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Date: | 12 September 2005 |
| Referee: | Guenther (Prof. Dr.) Bayreuther |
| Date of exam: | 21 July 2005 |
| Institutions: | Physics > Institute of Experimental and Applied Physics > Alumni or Retired Professors > Chair Professor Back > Group Christian Back |
| Keywords: | Tunneleffekt , Halbleiterschicht , Zinkselenid , Magnetowiderstand , Magnetische Anisotropie , Magnetisches Tunnelelement , Tunnelmagnetowiderstand , , semiconductor barrier , magneto-resistance , ZnSe , magnetic anisotropy |
| Dewey Decimal Classification: | 500 Science > 530 Physics |
| Status: | Published |
| Refereed: | Yes, this version has been refereed |
| Created at the University of Regensburg: | Yes |
| Item ID: | 10339 |
Abstract (German)
Im Rahmen dieser Arbeit sollte getestet werden, ob vollständig einkristalline Tunnelmagnetowiderstandselemente mit einer Halbleiterbarriere und ausreichend scharfen Grenzflächen durch epitaktische Schichtabscheidung hergestellt werden können. Die Schwerpunkte waren dabei das Wachstum und die laterale Strukturierung des Schichtsystems, das Umschaltverhalten der beiden magnetischen Schichten und ...
Abstract (German)
Im Rahmen dieser Arbeit sollte getestet werden, ob vollständig einkristalline Tunnelmagnetowiderstandselemente mit einer Halbleiterbarriere und ausreichend scharfen Grenzflächen durch epitaktische Schichtabscheidung hergestellt werden können. Die Schwerpunkte waren dabei das Wachstum und die laterale Strukturierung des Schichtsystems, das Umschaltverhalten der beiden magnetischen Schichten und die Transportmessungen, die schließlich einen Magnetowiderstandseffekt zeigten.
Die Herstellung des Schichtsystems GaAs / Fe / ZnSe / Fe / Au erfolgte in einer Metall- und einer Halbleiter-MBE-Anlage, wobei die Proben unter UHV-Bedingungen von einer Kammer zur anderen transferiert wurden. Eine besondere Herausforderung stellte dabei das epitaktische Wachstum von ZnSe auf Fe dar, da es bei Substrattemperaturen oberhalb von 270°C zu einer massiven Durchmischung mit Eisen kommt, bei tieferen Temperaturen aber kein einkristallines Wachstum stattfindet. Einen Ausweg aus diesem Dilemma bietet das Verdampfen der ZnSe-Schicht aus einem einzelnen Tiegel. Hier wurde ab einer Substrattemperatur von 200°C einkristallines fcc-Wachstum von ZnSe auf Fe festgestellt, wobei eine Verunreinigung der Barriere mit Fe-Atomen zwar nicht völlig ausgeschlossen werden kann, aber zumindest keine messbare Durchmischung mehr vorliegt. Im Rahmen dieser Untersuchungen konnte mit Hilfe der Elektronenholografie an Querschnittspräparaten gezeigt werden, dass eine mögliche Durchmischungszone an den Grenzflächen dünner als 1nm sein muss.
Um Magnetotransportmessungen durchführen zu können, wurde das Schichtsystem mit Hilfe von fotolithografischen Methoden strukturiert, so dass die Tunnelfläche auf eine Größe von 20µm x 20µm eingeschränkt wurde.
Die magnetischen Untersuchungen an den ausgedehnten einkristallinen Proben zeigten, dass oberhalb von 150K die 2,2nm dicke Fe-Schicht bei kleineren Magnetfeldern umschaltet als die 17,5nm dicke Fe-Schicht. Aufgrund der unterschiedlichen Temperaturabhängigkeit der Koerzitivfelder beider Eisenschichten nähern sich die Umschaltfelder mit abnehmender Temperatur an. Unterhalb von 150K schalten beide Schichten bei dem gleichen Magnetfeld. Da gerade bei tiefen Temperaturen die größten Magnetowiderstandseffekte erwartet werden, wurde versucht, auch in diesem Temperaturbereich ein getrenntes Schalten der beiden ferromagnetischen Schichten zu erreichen. Dies gelang durch die ferromagnetische Kopplung einer weichmagnetischen Permalloy-Schicht an den 2,2nm dicken Fe-Film, so dass im gesamten untersuchten Temperaturbereich ein getrenntes Umschalten der beiden ferromagnetischen Elektroden erreicht werden konnte.
Die entscheidenden Messungen sind jedoch letztendlich die Magnetotransportmessungen. Der maximale Magnetowiderstandswert, der bei einer Barrierendicke von 8nm und einer Temperatur von 50K gemessen wurde, betrug dabei 0,24%. Dagegen konnte bei Barrierendicken oberhalb von 8nm und unterhalb von 5nm kein Tunnelmagnetowiderstandseffekt festgestellt werden. Der Grund für den kleinen Magnetowiderstandswert und den kleinen Dickenbereich, in dem ein Effekt gemessen werden konnte, ist ein dominierender Anteil an diffusivem Stromtransport über die ZnSe-Barriere, der dem Tunnelstrom überlagert ist und sich bei den dünneren Barrieren in nahezu ohmschen Strom-Spannungs-Kennlinien zeigt. Bei Tunnelelementen mit Barrieren über 10nm konnten zwar nichtlineare Kennlinien gemessen werden, diese können aber auch durch "hopping"-Prozesse über eine verunreinigte Barriere hervorgerufen werden, wofür auch die starke Temperaturabhängigkeit dieser Strom-Spannungs-Kennlinien spricht.
Translation of the abstract (English)
Within this Ph.D thesis it should be investigated, if single crystal tunnel-magneto-resistance-elements with sharp interfaces can fabricated by epitaxial growth of the metals and the semiconductor. The main focus was set on the growth and the lateral patterning of the film system, the switching of the two magnetic layers and the transport measurements, which finally show a magneto-resistance ...
Translation of the abstract (English)
Within this Ph.D thesis it should be investigated, if single crystal tunnel-magneto-resistance-elements with sharp interfaces can fabricated by epitaxial growth of the metals and the semiconductor. The main focus was set on the growth and the lateral patterning of the film system, the switching of the two magnetic layers and the transport measurements, which finally show a magneto-resistance effect.
The GaAs / Fe / ZnSe / Fe / Au � system was prepared in separate metal- and semiconductor-MBE-machines, whereas the samples could be transferred from one chamber to the other under UHV-conditions. A special challenge was the epitaxial growth of ZnSe on Fe, because of a strong intermixing of ZnSe with Fe at temperatures above 270°C and a polycrystalline growth of ZnSe at lower temperatures. The solution of this problem is the evaporation of ZnSe from a single crucible. Using this growth mode, a single crystal fcc-growth of ZnSe on Fe was achieved at a substrate temperature of 200°C. At this temperature a strong intermixing of the barrier could not be measured, which does not mean that a weak intermixing could be excluded completely. Within this investigations it could be shown by using electron holography on cross sections, that a possible intermixing area at the interfaces has to be smaller than 1nm.
For magneto-transport measurements it was necessary to pattern the films, using photolithographic methods, in order to get well defined tunnel areas with a size of 20µm x 20µm.
Magnetic measurements on unpatterned single crystal films showed, that the 2.2nm thick Fe film switched at smaller magnetic fields than the 17.5nm thick Fe film at temperatures above 150K. Because of a different temperature dependence the coercive fields converge at lower temperatures. Below 150K both Fe-films switch at the same magnetic field. As at low temperatures the biggest magnetoresistance effects are expected, it was tried to get a separate switching of the two ferromagnetic fields. This was achieved by a soft magnetic permalloy film which was ferromagnetically coupled to the 2.2nm thick Fe film. As a result both ferromagnetic films switched at different magnetic fields in the whole temperature range.
In the end the crucial measurements are the magnetoresistance measurements. The maximum value of magnetoresistance, which was found at a barrier thickness of 8nm and a temperature of 50K, was 0.24%. In contrast to this measurements no magnetoresistance effect was measured at barrier thicknesses below 5nm and above 8nm. The reason for the small magnetoresistance effect and the small thickness range, where the effect has been observed, is a dominating diffusive current through the barrier, which is superposed to the tunneling transport and which causes a nearly ohmic I-V-curve in thin barriers. For tunnel elements with barrier thicknesses above 10nm nonlinear I-V-curves have been measured, but this could also result from hopping processes in a diluted barrier, which would be in agreement with the strong temperature dependence of the I-V-characteristics.
Metadata last modified: 26 Nov 2020 13:16
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