Transportuntersuchungen an strukturierten Ferromagnet/Halbleiter-Hybridstrukturen

Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Open Access Type:	Primary Publication
Date:	22 July 2019
Referee:	Prof. Dr. Dieter Weiss
Date of exam:	18 June 2019
Institutions:	Physics > Institute of Experimental and Applied Physics > Chair Professor Weiss > Group Dieter Weiss
Keywords:	Exchange Spring Coupling; Fe/Dy Bilayer; Microstructured Magnetic Films; Thin Magnetic Films; AMR Effect; Spin-Galvanic Effect; III-IV Semiconductor; GaAs 2DEG; Spin Esaki Diode; Spin Injection
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:	40492

Abstract (German)

In dieser Arbeit wurde die magnetische Wechselwirkung an der Grenzfläche zwischen einer weichmagnetischen Eisen (Fe) Schicht und einer hartmagnetischen Dysprosium (Dy) Schicht erforscht. Hierfür wurden wenige Nanometer dünne Fe/Dy Zweischichtsysteme durch Sputterdeposition auf Galliumarsenid (GaAs) Substraten gewachsen. Die magnetischen Eigenschaften der Fe/Dy Zweischichtsysteme wurden bei tiefen ...

Abstract (German)

In dieser Arbeit wurde die magnetische Wechselwirkung an der Grenzfläche zwischen einer weichmagnetischen Eisen (Fe) Schicht und einer hartmagnetischen Dysprosium (Dy) Schicht erforscht. Hierfür wurden wenige Nanometer dünne Fe/Dy Zweischichtsysteme durch Sputterdeposition auf Galliumarsenid (GaAs) Substraten gewachsen. Die magnetischen Eigenschaften der Fe/Dy Zweischichtsysteme wurden bei tiefen Temperaturen (5 – 120 K) per SQUID charakterisiert. Der Vergleich mit den magnetischen Eigenschaften von Fe bzw. Dy Einschichtsystemen zeigt, dass im Fe/Dy Zweischichtsystem die magnetischen Eigenschaften der Fe-Schicht durch die Exchange Spring Kopplung an der Fe/Dy Grenzfläche beeinflusst werden. Dadurch wird das Koerzitivfeld der Fe-Schicht um mehr als eine Größenordnung erhöht. In Übereinstimmung mit dem zugrunde liegenden Modell der Exchange Spring Kopplung konnte in den durchgeführten Experimenten zudem durch Variation der Fe-Schichtdicke die Erhöhung des Koerzitivfelds der Fe-Schicht gezielt eingestellt werden. Magnetotransportmessungen, die an mikrostrukturierten Fe/Dy Zweischichtsystemen mit gleicher Schichtfolge durchgeführt wurden, bestätigen die Ergebnisse der SQUID Messungen. Der magnetfeldabhängige Magnetisierungszustand der magnetischen Schichten konnte hier mit Hilfe des AMR-Effekts bestimmt werden.

Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde der Spin-Galvanische Effekt (SGE) bei niedrigen Temperaturen (1.4 K) in einem GaAs basierenden zweidimensionalen Elektronengas (2DEG) untersucht. Hierfür wurde mit Hilfe einer Spin Esaki-Diode eine Spinkomponente entlang einer bestimmten kristallographischen Orientierung in das 2DEG injiziert. Durch den SGE tritt senkrecht zur Spinkomponente ein elektrischer Strom auf, wodurch die injizierte Spinkomponente rein elektrisch nachgewiesen werden kann. Experimentell weist die Magnetfeldabhängigkeit des detektierten elektrischen Stroms Eigenschaften auf, wie sie für den SGE zu erwarten sind. Der durch den SGE induzierte spinabhängige Anteil wird dabei jedoch von spinunabhängigen Komponenten überlagert.

Translation of the abstract (English)

In this thesis the magnetic interaction at the interface between a soft ferromagnetic Iron (Fe) layer and a hard magnetic Dysprosium (Dy) layer was investigated. For this purpose Fe/Dy bilayer with a thickness of few nanometer were grown on Gallium Arsenide (GaAs) substrates via sputter deposition. The magnetic properties were characterized by SQUID at low temperatures (5 – 120 K). By comparing ...

Translation of the abstract (English)

In this thesis the magnetic interaction at the interface between a soft ferromagnetic Iron (Fe) layer and a hard magnetic Dysprosium (Dy) layer was investigated. For this purpose Fe/Dy bilayer with a thickness of few nanometer were grown on Gallium Arsenide (GaAs) substrates via sputter deposition. The magnetic properties were characterized by SQUID at low temperatures (5 – 120 K). By comparing the results with those of Fe and Dy single layers it is found that the magnetic properties of the Fe layer in the Fe/Dy bilayer are determined by the Exchange Spring coupling at the Fe/Dy interface. As a result of this, the coercive field of the Fe layer was enhanced by more than one order of magnitude. The enhancement of the Fe layer’s coercive field could be engineered trough variation of the Fe layer thickness, what is in agreement with the Exchange Spring model. Magnetotransport measurements carried out with similarly grown and microstructured Fe/Dy bilayer confirm the results of the SQUID measurements. The magnetic field dependence of the magnetization state of the magnetic layers was determined by means of the AMR effect.

In the second part of this thesis the Spin-Galvanic Effect (SGE) was investigated at low temperature (1.4 K) in a GaAs based two-dimensional electron gas (2DEG). Here a spin Esaki diode was used to inject a spin component parallel to a certain crystallographic orientation into the 2DEG. By means of the SGE an electric current is induced perpendicular to the spin component so that the spin component can be detected electrically. The magnetic field dependence of the electric current shows SGE like signatures, however it is superimposed by spin independent contributions.

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