Ferromagnet/Semiconductor interfaces: Spin injection and Anisotropic polar magneto-optic Kerr effect

Dokumentenart:	Hochschulschrift der Universität Regensburg (Dissertation)
Open Access Art:	Primärpublikation
Datum:	11 Dezember 2017
Begutachter (Erstgutachter):	Prof. Dr. Christian H. Back
Tag der Prüfung:	4 Dezember 2017
Institutionen:	Physik > Institut für Experimentelle und Angewandte Physik > Entpflichtete oder im Ruhestand befindliche Professoren > Lehrstuhl Professor Back > Arbeitsgruppe Christian Back
Stichwörter / Keywords:	Semiconductor spintronics, electrical spin injection, thermal spin injection, 2DEG, spin relaxation anisotropy, Hanle effect, spin-orbit coupling fields, Fe/GaAs(001), polar magneto-optic Kerr effect
Dewey-Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Status:	Veröffentlicht
Begutachtet:	Ja, diese Version wurde begutachtet
An der Universität Regensburg entstanden:	Ja
Dokumenten-ID:	36432

Zusammenfassung (Englisch)

In this thesis basic research in the field of semiconductor spintronics is performed. Electron spin injection from ferromagnetic contacts into GaAs-based heterostructure systems is investigated by employing scanning Kerr microscopy at the cleaved edge of the samples. The experiments suggest that spin diffusion and charge diffusion in bulk n-GaAs samples have comparable strengths. In contrast, ...

Zusammenfassung (Englisch)

In this thesis basic research in the field of semiconductor spintronics is performed.
Electron spin injection from ferromagnetic contacts into GaAs-based heterostructure
systems is investigated by employing scanning Kerr microscopy at the cleaved edge of the samples.
The experiments suggest that spin diffusion and charge diffusion in bulk n-GaAs samples have
comparable strengths. In contrast, in two-dimensional systems the spin diffusivity is found
to be orders of magnitude smaller than the charge diffusivity, suggesting
that electron-electron interactions play an important role in those systems.
Finally, it is investigated, whether a spin imbalance in n-GaAs can be created
via thermal spin injection. However, the measurements suggest that the
Seebeck spin tunneling coeffcient for Fe/GaAs is orders of magnitude smaller
than the reported values for Si and Ge-based systems with oxide tunnel barriers.

The second part of the thesis is dedicated to the optical properties of ultrathin layers
of epitaxial Fe/GaAs(001) at room temperature. It is demonstrated that
spin-orbit coupling at the Fe/GaAs(001) interface not only affects the transport
properties of the heterostructure, as was shown before, but also gives
rise to magneto-optical anisotropies. A clear twofold anisotropy of the Kerr rotation
angle depending on the orientation of the linear polarization of the
probing laser beam with respect to the crystallographic directions of the sample
is detected. The observed twofold symmetry of the Kerr angle is fully
reproduced by a phenomenological model based on the interference of interfacial
Bychkov-Rashba and Dresselhaus spin-orbit coupling fields.

Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)

Diese Arbeit beschäftigt sich mit Grundlagenforschung auf dem Gebiet der Halbleiter-Spintronik. Elektronenspininjektion von ferromagnetischen Kontakten in GaAs-basierte Heterostruktursysteme wird mithilfe von Kerrmikroskopie an der Spaltkante der Proben untersucht. Die Experimente zeigen, dass Spindiffusion und Ladungsdiffusion in bulk n-GaAs Proben eine vergleichbare Stärke besitzen. Im ...

Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)

Diese Arbeit beschäftigt sich mit Grundlagenforschung auf dem Gebiet der Halbleiter-Spintronik.
Elektronenspininjektion von ferromagnetischen Kontakten in GaAs-basierte Heterostruktursysteme wird
mithilfe von Kerrmikroskopie an der Spaltkante der Proben untersucht. Die Experimente zeigen, dass
Spindiffusion und Ladungsdiffusion in bulk n-GaAs Proben eine vergleichbare Stärke besitzen. Im Gegensatz dazu
liegt die Spindiffusionskonstante in zweidimensionalen Systemen Größenordnungen unter der
Ladungsdiffusionskonstanten. Dies lässt vermuten, dass Elektron-Elektron-Wechselwirkungen eine wichtige Rolle
in solchen Systemen spielen. Abschließend wird untersucht, ob ein Spinungleichgewicht in n-GaAs über thermische
Spininjektion erzeugt werden kann. Die Messungen legen jedoch nahe, dass der Seebeck-Spintunnel-Koeffizient von
Fe/GaAs Größenordnungen unter den berichteten Werten für Si- und Ge-basierte Systeme mit Oxid-Tunnelbarrieren liegt.

Der zweite Teil der Arbeit ist den optischen Eigenschaften von ultradünnen Schichten von
epitaktischem Fe/GaAs(001) bei Zimmertemperatur gewidmet. Es wird gezeigt, dass Spin-Bahn-Kopplung
an der Fe/GaAs(001)-Grenzfläche nicht nur die Transport-Eigenschaften der Heterostruktur beeinflusst,
was bereits früher nachgewiesen wurde, sondern auch magneto-optische Anisotropien hervorruft. Es wird eine klare
zweizählige Anisotropie des Kerrrotationswinkels gemessen, welche von der Orientierung der linearen Polarisation
des einfallenden Laserstrahls relativ zu den Kristallrichtungen der Probe abhängt. Die beobachtete
zweizählige Symmetrie des Kerrwinkels kann mit einem phänomenologischen Modell beschrieben werden, welches auf
der Interferenz von Bychkov-Rashba- und Dresselhaus-Spin-Bahn-Kopplungsfeldern beruht.

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