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- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-opus-8783
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.10601
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) | ||||||||||||
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| Open Access Type: | Primary Publication | ||||||||||||
| Date: | 27 November 2007 | ||||||||||||
| Referee: | Prof. Dr. Dieter Weiss | ||||||||||||
| Date of exam: | 3 July 2007 | ||||||||||||
| Institutions: | Physics > Institute of Experimental and Applied Physics > Chair Professor Weiss > Group Dieter Weiss | ||||||||||||
| Classification: |
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| Keywords: | Tunnelmagnetowiderstand , Magnetisches Tunnelelement , Spin-Bahn-Wechselwirkung , Magnetoelektronik , Eisen , Epitaxie , Galliumarsenid , TAMR , spinabhängiger Transport , spinabhängiges Tunneln , spinpolarisierter Transport über Grenzflächen , Magnetotransport phenomena , Spin transport through interfaces , Spin polarized transport in semiconductors , metal-semiconductor-metal interfaces | ||||||||||||
| 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: | 10601 |
Abstract (German)
Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Transport von spinpolarisierten Elektronen über eine ideale Fe/GaAs-Grenzfläche untersucht. Die aufgrund der Präparationsmethode entstehende natürliche Oxidschicht auf der GaAs-Barriere wurde mit einer Wasserstoffplasma-Vorbehandlung reduziert, um damit die Grenzfläche bezüglich der Spininjektion zu optimieren. Außerdem wurde durch den Einsatz einer ...
Abstract (German)
Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Transport von spinpolarisierten Elektronen über eine ideale Fe/GaAs-Grenzfläche untersucht. Die aufgrund der Präparationsmethode entstehende natürliche Oxidschicht auf der GaAs-Barriere wurde mit einer Wasserstoffplasma-Vorbehandlung reduziert, um damit die Grenzfläche bezüglich der Spininjektion zu optimieren. Außerdem wurde durch den Einsatz einer UHV-Transportkammer und bei mit Arsen abgedeckten Wafern eine epitaktische Fe-Schicht auf der Tunnelbarriere realisiert.
Wird eine Vorbehandlung an beiden Grenzflächen von Fe/GaAs/Fe-Strukturen durchgeführt, so vergrößert sich der TMR-Effekt bei 4,2 K und 5 mV angelegter Spannung von ca. 1,3% auf etwa 5,6%. Im Jullière-Modell entspricht dies in etwa einer Verdopplung der Spinpolarisation auf 16,5%. An den beidseitig vorbehandelten Proben kann sogar bei Raumtemperatur noch ein ausgeprägter TMR-Effekt von ca. 1,55% gemessen werden, was im Jullière-Modell einer Polarisation von ca. 8,8% entspricht. Eine Analyse der Temperaturabhängigkeit der Polarisation mit dem Modell von Shang ergibt, dass bei Proben ohne Vorbehandlung die starke Temperaturabhängigkeit der Grenzflächenmagnetisierung in erster Linie für die Abnahme der Polarisation mit steigender Temperatur verantwortlich ist. Bei Proben mit Vorbehandlung spielt dagegen das Tunneln über spinunabhängige Kanäle eine wichtige Rolle.
Während sowohl Proben mit natürlicher Oxidschicht an den Grenzflächen als auch Proben mit Wasserstoffplasma-Vorbehandlung einen Rückgang des TMR-Effekts mit steigender Spannung zeigen, ergibt sich bei den Proben mit einer epitaktischen Fe-Schicht ein deutlich verändertes Bild. Es hängt dabei nicht nur die Größe, sondern auch das Vorzeichen des TMR-Effekts von der am Tunnelkontakt angelegten Spannung ab. Es ergibt sich ein maximaler negativer TMR-Effekt von ca. -1,7% bei etwa 55 mV angelegter Spannung, der bei ca. �92 mV und +500 mV in einen positiven Effekt übergeht. Durch eine Vorbehandlung der zweiten, oxidierten Grenzfläche konnte der TMR-Effekt wiederum deutlich vergrößert werden auf ca. -4,2% bei 4,2 K und 55 mV ohne dabei den qualitativen Verlauf der Spannungsabhängigkeit des TMR-Effekts wesentlich zu beeinflussen. Es wird vermutet, dass für den spannungsabhängigen Vorzeichenwechsel des TMR-Effekts sowohl Bandstruktureffekte, als auch die Abhängigkeit der Transmission vom k-Vektor bzw. von k|| der tunnelnden Elektronen eine Rolle spielen. Voraussetzung für das Auftreten von Bandstruktureffekten und dem vollständigen Erhalt von k|| während des Tunnels ist ein epitaktisches System mit einer idealen Grenzfläche.
Durch ein Tempern der epitaktischen Fe-Schicht bei 150°C wird sowohl die Größe als auch der spannungsabhängige Verlauf des TMR-Effekts stark beeinflusst. Während der negative TMR-Effekt etwas kleiner wird, ergibt sich mit maximal etwa 2,9% ein deutlich größerer positiver TMR-Effekt bei �100 mV.
Allerdings ist der TMR-Effekt bei allen Proben kleiner als man von theoretischer Seite für das epitaktische Fe/GaAs-System erwartet. Als mögliche Ursache werden Fe(GaAs)-Verbindungen diskutiert.
Die dicke, mit Kobalt gepinnte, epitaktische Fe-Schicht zeigt eine vierzählige magnetische Anisotropie, die sich in der Form der in unterschiedliche Richtungen gemessenen TMR-Kurven widerspiegelt. Durch richtungs- und spannungsabhängige Messungen wird gezeigt, dass der TMR-Effekt von einem zweiten Effekt überlagert wird. Dieser wird Anhand von Proben mit nur einem magnetischen Kontakt als TAMR-Effekt identifiziert.
Eine Variation des Magnetfelds in unterschiedliche Richtungen an Fe/GaAs/Au-Tunnelstrukturen führt zu einem TMR-ähnlichen Signal. Dessen Ursache liegt in der magnetischen Anisotropie der epitaktischen Fe-Schicht und im TAMR-Effekt, bei dem der Tunnelwiderstand von der Magnetfeldrichtung eines in-plane Magnetfelds abhängt. Der TAMR-Effekt, der erstmals mit einem konventionellen Ferromagneten nachgewiesen werden konnte, zeigt eine uniaxiale Anisotropie. Bei einem Magnetfeld von 0,5 T ergibt sich bei 88 mV angelegter Spannung in die [110]-Richtung ein um maximal 0,4% größerer Widerstand als in die [-110]-Richtung. Auch für den TAMR-Effekt zeigt sich für dessen Größe und Vorzeichen eine Abhängigkeit von der angelegten Spannung. Als mögliche Ursache für den TAMR-Effekt wird eine anisotrope Spin-Bahn-Kopplung während des Tunnelprozesses diskutiert. Durch die Berücksichtigung der bekannten Dresselhaus-Spin-Bahn-Kopplung in der Barriere und einem phänomenologischem Bychkov-Rashba-Parameter alpha, mit dem die Spin-Bahn-Kopplung an der Fe/GaAs-Grenzfläche berücksichtigt wird, können die Messkurven sehr gut gefittet werden. Die Spannungsabhängigkeit lässt sich in dem Modell mit einer Spannungsabhängigkeit von alpha erklären. Anschaulich führt die Kombination von Dresselhaus-SOI und Bychkov-Rashba-SOI zu einem effektiven Magnetfeld, dessen uniaxiale Anisotropie sich in der Transmissionswahrscheinlichkeit widerspiegelt und zum TAMR-Effekt führt.
Translation of the abstract (English)
The transport of spin polarized electrons through a Fe/GaAs-interface was investigated. The native oxide layer on the GaAs-barrier which is formed during the sample preparation was reduced with hydrogen plasma to optimize the spin injection. To realize an epitaxial Fe/GaAs interface an UHV-transport chamber was used as well as As-covered wafers. Using hydrogen plasma pretreatment on both ...
Translation of the abstract (English)
The transport of spin polarized electrons through a Fe/GaAs-interface was investigated. The native oxide layer on the GaAs-barrier which is formed during the sample preparation was reduced with hydrogen plasma to optimize the spin injection. To realize an epitaxial Fe/GaAs interface an UHV-transport chamber was used as well as As-covered wafers.
Using hydrogen plasma pretreatment on both interfaces of Fe/GaAs/Fe-structures leads to an increase of the TMR effect from about 1.3% to 5.6% at 4.2 K und 5 mV bias voltage. This corresponds to a doubling of the spinpolarization to about 16.5% in the Jullière-model. A pronounced TMR effect of about 1.55% can be measured at room temperature corresponding to a spinpolarization of about 8.8%. By analyzing the temperature dependence of the polarization within the model of Shang for samples without hydrogen pretreatment it is shown that the observed dependence is mainly caused by the strong temperature dependence of the magnetization at the interface. However for samples with hydrogen pretreatment spin independent channels are much more important.
All samples with and without pretreatment show a decrease of the TMR effect with increasing bias. However samples with one epitaxial interface show a complete different behavior. For this samples the size and the sign of the TMR effect depends on the bias voltage. The samples show a negative TMR effect up to about -1.7% at 55 mV and the effect changes sign at about �92 mV and +500 mV. A pretreatment of the second, oxidized interface leads to an increase of the TMR effect to about �4.2% nearly without changing the qualitative behavior of the bias dependence. Band structure effects and the dependence of the transmission on the k-vector respectively on k|| of the tunneling electrons supposed to be responsible for this behavior. Band structure effects and the conservation of k|| during tunneling can only appear in an epitaxial system.
Tempering the epitaxial iron layer at about 150°C for one hour changes the size as well as the qualitative behavior on the bias voltage. While the negative TMR decreases the positive one increases.
The TMR effect is smaller than expected by theory which can be caused by an intermixing of Fe and GaAs at the interface.
The thick epitaxial iron layer, which is magnetically coupled to a cobalt layer, shows a fourfold magnetic anisotropy. The shape of the TMR curves measured with field sweeps in different directions reflects this anisotropy. Measurements at different voltages show that the TMR effect is superimposed by a second effect. It can be identified as TAMR effect using tunnel structures with only one magnetic layer.
A variation of the magnetic field in different directions for Fe/GaAs/Au samples leads to a TMR like signal. The signal is caused by the fourfold anisotropy of the epitaxial iron layer and by a TAMR effect where the tunneling resistance depends on the direction of an in plane magnetic field. The TAMR effect is measured for the first time with a conventional ferromagnet and shows an uniaxial anisotropy. At a magnetic field of 0.5 T and with a bias voltage of 88 mV the resistance in the [110] direction is about 0.4% higher than the resistance in the [-110] direction. The sign and the size of the TAMR effect depend on the bias voltage.
As a possible reason for the TAMR effect an anisotropic spin-orbit interaction during the tunneling is discussed. Considering the well known Dresselhaus-spin-orbit coupling in the barrier and a Bychkov-Rashba-spin-orbit coupling at the Fe/GaAs interface the measurements can be very well fitted. The bias dependence can be explained in this model by the bias dependence of the phenomenological Bychkov-Rashba parameter alpha at the interface. The combination of Dresselhaus-SOI and Bychkov-Rashba-SOI leads to an effective magnetic field with an uniaxial anisotropy. The anisotropy is transferred to the tunneling transmissivity and transformed into the observed anisotropy of the TAMR.
Metadata last modified: 26 Nov 2020 12:40
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