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- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-opus-8701
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.10594
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) | ||||||||||||
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| Open Access Type: | Primary Publication | ||||||||||||
| Date: | 14 October 2007 | ||||||||||||
| Referee: | Prof. Dr. Dieter Weiss | ||||||||||||
| Date of exam: | 17 September 2007 | ||||||||||||
| Institutions: | Physics > Institute of Experimental and Applied Physics > Chair Professor Weiss > Group Dieter Weiss | ||||||||||||
| Classification: |
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| Keywords: | Angewandte Physik , Heterostruktur , Lithographie <Halbleitertechnologie> , Halbleiter , Ladungstransport , Magnetismus , Nanostrukturiertes Material , Mikro-Hall-Magnetometrie , Aharonov-Bohm-Effekt , Berry-Phase , 2DEG , Nanostrukturen , micro-Hall-magnetometry , Aharonov-Bohm-effect , Berry-phase , 2DEG , nanostructures | ||||||||||||
| 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: | 10594 |
Abstract (German)
Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf Transportmessungen an Ferromagnet/2DEG-Hybridstrukturen bei denen das inhomogene Streufeld von Nanomagneten den Ladungstransport in der Halbleiterheterostruktur maßgeblich beeinflusst. Der wechselseitige Erkenntnisgewinn über die Transporteigenschaften der Nanostrukturen unter dem Einfluss der inhomogenen Felder einerseits und dem Ferromagnetismus in Teilchen ...
Abstract (German)
Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf Transportmessungen an Ferromagnet/2DEG-Hybridstrukturen bei denen das inhomogene Streufeld von Nanomagneten den Ladungstransport in der Halbleiterheterostruktur maßgeblich beeinflusst. Der wechselseitige Erkenntnisgewinn über die Transporteigenschaften der Nanostrukturen unter dem Einfluss der inhomogenen Felder einerseits und dem Ferromagnetismus in Teilchen mit Submikrometer-Abmessungen andererseits, stellt dabei ein gemeinsames Wesensmerkmal der Experimente dar. Die Optimierung der Elektronenstrahllithographie steht bei der Herstellung der Proben im Vordergrund. Es wurde ein Lithographie-Zusatzsystem für Rasterelektronenmikroskope entwickelt, das inzwischen den Schritt zum kommerziellen Produkt vollzogen hat. Dieses System zeichnet sich neben der einfachen Bedienbarkeit vor allem durch eine große Flexibilität aus, so dass gerade auch die für die Herstellung der Hybridstrukturen erforderliche Kombination unterschiedlicher Lithographieschritte erleichtert wird. Besonderes Augenmerk wird auf unterschiedliche Ätzverfahren für die laterale Einschränkung des 2DEGs gelegt. Erstmals wurden im Rahmen der vorliegenden Arbeit auch Sensoren eingesetzt, bei denen die Sensorgeometrie durch Ionenimplantation definiert wurde.
Den zentralen Abschnitt der Arbeit stellen Experimente zur Mikro-Hall-Magnetometrie (MHM) dar. Dabei stehen zunächst Messungen zur Funktionsweise der Hallsonden im Vordergrund. Dem Strom, mit dem die Hallsensoren betrieben werden, kommt eine entscheidende Rolle für die erreichbare Qualität des Hallsignals zu. Oft ist ein möglichst hoher Sondenstrom von Vorteil. So können beispielsweise bei sehr kleinen Sonden störende ballistische Effekte abgeschwächt werden. Außerdem wird gezeigt, dass sich ein erhöhter Sondenstrom günstig auf das Signal/Rausch-Verhältnis auswirkt. Es werden jedoch auch die Grenzen für die einsetzbare Stromstärke aufgezeigt. Überschreitet die Amplitude des Wechselstroms, der den Sonden für die Lock-in-Messung aufgeprägt wird, einen bestimmten Wert, so ergeben sich Verzerrungen im Hallsignal. Eine Erwärmung des Elektronengases mit hohen Strömen lässt außerdem die Annahme des Elektronentransports als reines Fermikanten-Phänomen nicht länger Aufrecht erhalten. Dadurch ist die fundamentale Voraussetzung für die MHM, dass die Hallspannung den gemittelten Fluss durch eine aktive Fläche widerspiegelt, nicht mehr gewährleistet. Darüber hinaus wird gezeigt, dass der mit einer niedrigen Ladungsträgerdichte einhergehende große Hallkoeffizient keineswegs immer die beste Signalqualität zur Folge hat. Ein mit zunehmender Ladungsträgerdichte höherer maximal möglicher Sondenstrom führt oft trotz des geringeren Hallkoeffizienten zu einer insgesamt besseren Signalqualität. Die günstigsten Werte für die Ladungsträgerdichte und den Sondenstrom ergeben sich demzufolge durch eine Optimierung des Hallsignals durch Variation dieser beiden Parameter für die jeweilige Messung.
Darüber hinaus konnte an verschiedener Stelle gezeigt werden, dass die Anordnung des Nanomagneten relativ zur aktiven Fläche und deren Abmessungen für die Signalgröße eine wichtige Rolle spielen. Bei Experimenten mit Nanosäulen führt das positionsabhängige Einkoppeln des Streufeldes sogar zu einer Umkehrung des Vorzeichens der Hallspannung. Bei in der Sensorebene liegenden Dipolen führt dagegen nur ein gezielter Offset entlang der Dipolachse zu einem Nettofluss durch Sonde.
Eine eingehende Untersuchung von kleinen Nickelsäulen resultierte in einem Ummagnetisierungsmodell, das den Teilchen trotz einer rechteckigen Hysteresekurve deutliche Abweichungen vom eindomänigen Schalten zuweist. Demnach treten bei diesen Säulen zwei verschiedene Typen von Hysteresekurven auf, die aus einer unterschiedlichen relativen Orientierung des Drehsinns von Abschlusswirbeln in der Magnetisierung resultieren.
Flachen Kreisscheiben weisen über einen weiten Bereich von Abmessungen eine Vortexkonfiguration der Magnetisierung auf. Bei der Magnetisierungsumkehr in der Scheibenebene ergibt sich demzufolge eine Hysteresekurve, die von der Nukleation des Vortex, dessen reversibler Verschiebung in der Scheibe und schließlich der Auflösung des Vortex geprägt ist. Die Phase unmittelbar vor der Nukleation ist durch verschiedenartige Bucklingmuster in der Magnetisierung gekennzeichnet. Als Folge davon treten im Verlauf der Hysteresekurven signifikante Abweichung auf, die durch den Vergleich von Mikro-Hall-Messungen mit Simulationen von Magnetisierungskonfigurationen systematisch untersucht werden.
Außerdem werden in der Arbeit Untersuchung von Ringstrukturen zum Nachweis einer Berry-Phase an Transportelektronen im Festkörper vorgestellt. Zu diesem Zweck kommt ein modifiziertes Aharonov-Bohm-Experiment in 2DEG-Ringen zum Einsatz, bei dem das für die Berry-Phase entscheidende inhomogene Magnetfeld erstmals durch einen Ringmagneten, der direkt auf dem Halbleiterring platziert wird, hervorgerufen wird.
Translation of the abstract (English)
The work is focused at transport measurements on ferromagnet/2DEG-hybridstructures. The charge transport in these systems is crucially influenced by the inhomogeneous stray-field of the nanomagnets. The experiments are characterized by the reciprocal gain of understanding both, the transport properties of the heterostructures under the influence of the inhomogeneous field as well as the ...
Translation of the abstract (English)
The work is focused at transport measurements on ferromagnet/2DEG-hybridstructures. The charge transport in these systems is crucially influenced by the inhomogeneous stray-field of the nanomagnets. The experiments are characterized by the reciprocal gain of understanding both, the transport properties of the heterostructures under the influence of the inhomogeneous field as well as the ferromagnetism in particles with sub-micron dimensions. The optimization of the electron-beam-lithography was the main target in the preparation process for the samples. Therefore a lithography add-on-system for scanning electron microscopes was developed, that constitutes a commercial product meanwhile. This system distinguishes itself mainly by a high flexibility and a great simplicity in operation, so that the combination of different lithography steps, necessary for the preparation of the hybrid structures, can be carried out easily. Particular attention is dedicated at different etching processes for the lateral constriction of the 2DEG. For the first time, sensors, with their geometry defined by ion implantation, were used in the framework of this work.
Experiments in the field of micro-Hall-magnetometry (MHM) represent the central section of the work. At first the measurements are focused on the properties of the sensors.
The current, with which the Hall-sensors are driven, plays a crucial role for the attainable quality of the Hall-signal. In principle, a probe-current as high as possible is of advantage for the measurements, because this can moderate the ballistic effects, which may occur at very small probe geometries, for example. Furthermore it is shown that an elevated probe current has a positive effect on the signal/noise-ratio. However, also the limits for the employable current are shown. If the amplitude of the AC-current, necessary for the lock-in-measurement exceeds a certain value, the Hall-signal will be distorted. A heating of the electron gas with higher currents means that the assumption of the transport as a pure Fermi-level phenomenon is no longer valid. With this the fundamental prerequisite for the MHM, that the Hall-signal averages the flux through an active area, is no longer guaranteed. In addition it is shown that a high Hall-coefficient resulting from a low electron density, does not always lead to the best signal quality. With increasing carrier density the applicable maximum probe current also will rise, which may lead to an altogether better signal, despite of the smaller Hall-coefficient. The most favourable values for the electron density and the probe current therefore emerge through an optimization of the Hall-signal by the variation of these two parameters for the respective measurement.
In addition, it is shown at different occasions that the exact positional arrangement of the nanomagnet according to the active area plays an important role for the attainable amplitude of the Hall-signal. In experiments with nano-pillars, the position-dependent coupling of the stray field-field even led to a change in the sign of the detected Hall-voltage. With dipoles lying in the plane of the sensors, a net flux through the active area can be achieved only by an intentional positional offset along the dipole axis.
A detailed examination of small nickel columns resulted in a model for magnetization reversal, which assigns clear deviations of the single-domain switching to some particles despite of a rectangular hysteresis-loop. In agreement with this model, two different types of hysteresis-loops result in the magnetization reversal of the pillars, according to the different relative sense of rotation of the end-vortices appearing with these particles.
Flat ferromagnetic nano-discs show a vortex-configuration of the magnetization over a wide range of dimensions. With the magnetization reversal in the plane of the disk, therefore the hysteresis-loops are characterized by the nucleation of the vortex, its reversible displacement within the disk and finally the annihilation of the vortex. The magnetization configurations obtained directly before the nucleation of the vortex are marked by a variety of diverse buckling-patterns. As a consequence this leads to significant deviations in the hysteresis-loops, which are examined systematically by the comparison of micro Hall-measurements with micro-magnetic simulations.
Furthermore the work introduces the examination of semiconductor ring structures in order to proof the Berry-phase on the transportation electrons in solid state physics. Therefore a modified Aharonov-Bohm-experiment is applied to 2DEG-rings which are exposed to the inhomogeneous stray-field of a ferromagnetic ring on top of the semiconductor ring for the first time. The radial component of the stray-field emanating from the ferromagnet is crucial for the observation of the Berry-phase.
Metadata last modified: 26 Nov 2020 12:40
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