Tuning the magnetic interactions in GaAs:Mn/MnAs hybrid structures by controlling shape and position of MnAs nanoclusters

Abstract

The realization of magnetoelectronic and spintronic devices is recently of great interest because such devices not only use the charge of the electron for information processing and storage, but also its spin. This provides an enhanced functionality such as the non-volatile storage of information in so-called MRAMs.An interesting material system for the realization of new magnetoelectronic devices are the so-called granular hybrid structures consisting of ferromagnetic nanoclusters, which are embedded in a paramagnetic matrix. These hybrids have the advantage that they combine ferromagnetic and semiconducting properties in one single material system. In addition, they show magnetoresistance effects similar to the giant or tunnel magnetoresistance, which nowadays are widely used in e.g. non-contact sensors or hard disk read heads. In general, mainly the random cluster distribution of conventionally grown hybrid structures hinders a technological utilization of these effects in miniaturized magnetoelectronic devices.However, with the new method of self-assembled growth by selective area metal-organic vapour phase epitaxy (SA-MOVPE) on pre-patterned (111)B-substrates, regular arrangements of nanoclusters of well-defined size, shape and position can be prepared.In this work the magnetic properties of hexagonal MnAs nanoclusters and their influence on the transport properties of GaAs:Mn /MnAs hybrid structures were studied. Various arrangements of isolated nanoclusters and cluster chains were grown on (111)B-GaAs substrates by SA-MOVPE. The first part of this work deals with the manufacturing process of the different cluster arrangements investigated. By a suitable pre-structuring of the substrate it was possible to influence the cluster size, cluster shape and cluster position systematically. Preparing various arrangements it could be shown that the hexagonal nanoclusters prefer to grow along their a-axes.In the second part, the magnetic properties of the nanoclusters were studied. Ferromagnetic resonance (FMR) measurements show a hard magnetic axis perpendicular to the sample plane, i.e. parallel to the c-axis. By measurements, where the magnetic field was rotated in the sample plane, it could be demonstrated that the orientation of the magnetization can be forced into a certain direction by controlling the cluster shape. These results are confirmed by measurements using magnetic force microscopy.The third part deals with the influence of the nanoclusters and their arrangement on the transport properties of the GaAs:Mn matrix. For temperatures above 30 K the structures investigated show positive as well as negative magnetoresistance effects, which are typical for granular GaAs:Mn/MnAs hybrid structures. This behaviour can be explained in the context of transport in extended band states. The size of the magnetoresistance effects correlates strongly with the respective cluster arrangement of the sample. This behaviour has been predicted theoretically and could be confirmed experimentally in the context of this work.Below 30 K large positive magnetoresistance effects show up for the regular cluster arrangements, which cannot be observed for hybrid structures with random cluster distributions. These large positive magnetoresistance effects and their qualitative behaviour with increasing magnetic field can be attributed to so-called hopping transport, which dominates at these temperatures. In addition at low temperatures, the size of the respective effects strongly correlates with the cluster arrangement. By angle-dependent measurements, in which the external magnetic field was rotated in the sample plane, a direct influence of the orientation of the cluster magnetization on the transport properties could be demonstrated. Die Realisierung magnetoelektronischer und spintronischer Bauelemente ist heutzutage von großem Interesse, da solche Bauelemente nicht nur die Ladung der Elektronen zur Informationsverarbeitung und -speicherung ausnutzen, sondern zusätzlich deren Spin. Dadurch bietet sich eine erweiterte Funktionalität wie zum Beispiel die nichtflüchtige Informationsspeicherung in sogenannten MRAMs.Ein interessantes Materialsystem für die Realisierung neuer magnetoelektronischer Bauelemente sind die so genannten granularen Hybridstrukturen, bestehend aus ferromagnetischen Nanoclustern, welche in eine paramagnetische Matrix eingebettet sind. Diese Hybride haben den Vorteil, dass sie ferromagnetische sowie halbleitende Eigenschaften in einem einzigen Materialsystem vereinen. Zusätzlich zeigen sie magnetoresistive Effekte ähnlich dem Gigantischen bzw. Tunnel-Magnetwiderstand, welche heutzutage breite Anwendung in z.B. berührungslosen Sensoren oder Festplattenleseköpfen finden. Einer technologischen Nutzung dieser Effekte in konventionell hergestellten Hybridstrukturen steht zur Zeit aber vor allen Dingen die im Allgemeinen zufällige Verteilung der ferromagnetischen Cluster entgegen. Mit der neuen Methode des selbst-organisierten Wachstums mittels flächenselektiver metall-organischer Gasphasenepitaxie (SA-MOVPE) auf vorstrukturierten (111)B-Substraten lassen sich jedoch regelmäßige Anordnungen von Nanoclustern mit wohldefinierter Größe, Form und Position wachsen.Im Rahmen dieser Arbeit wurden die magnetischen Eigenschaften von hexagonalen MnAs Nanoclustern sowie ihr Einfluss auf das Transportverhalten von GaAs:Mn/MnAs Hybridstrukturen untersucht. Dazu wurden verschiedene Anordnungen isolierter Nanocluster sowie unterschiedlicher Clusterketten auf (111)B-GaAs-Substraten mittels SA-MOVPE gewachsen. Der erste Teil der Arbeit befasst sich hierbei mit dem Herstellungsprozess der diversen untersuchten Anordnungen. Durch eine geeignete Vorstrukturierung des Substrats war es möglich, die Clustergröße, Clusterform und Clusterposition gezielt zu beeinflussen. Anhand verschiedener Anordnungen konnte gezeigt werden, dass die hexagonalen Nanocluster bevorzugt entlang ihrer a-Achse wachsen.Im zweiten Teil der Arbeit wurden die magnetischen Eigenschaften der Nanocluster untersucht. Messungen mittels ferromagnetischer Resonanz (FMR) zeigen eine harte magnetische Achse senkrecht zur Probenebene, d.h. parallel zur c-Achse. Durch Messungen, bei denen das Magnetfeld in der Ebene rotiert wurde, konnte nachgewiesen werden, dass durch eine gezielte Beeinflussung der Clusterform die Orientierung der Magnetisierung in der Ebene vorgegeben werden kann. Diese Ergebnisse werden durch Messungen mittels magnetischer Kraftmikroskopie bestätigt.Der dritte Teil der Arbeit befasst sich schließlich mit dem Einfluss der Nanocluster und ihrer Anordnung auf die Transporteigenschaften durch die GaAs:Mn-Matrix. Für Temperaturen oberhalb von 30 K zeigen die untersuchten Strukturen positive sowie negative Magnetwiderstandseffekte, welche typisch sind für granulare GaAs:Mn/MnAs Hybridstrukturen. Dieses Verhalten lässt sich im Rahmen des Transports in ausgedehnten Bandzuständen erklären. Die Größe der magnetoresistiven Effekte korreliert stark mit der jeweiligen Clusteranordnung der Probe. Dieses Verhalten wurde bereits theoretisch vorhergesagt und konnte im Rahmen dieser Arbeit experimentell bestätigt werden.Unterhalb von 30 K zeigen sich für die regulären Clusteranordnungen große positive magnetoresistive Effekte, welche für Hybridstrukturen mit zufälliger Clusterverteilung nicht beobachtet werden können. Diese großen positiven Magnetwiderstandseffekte sowie deren qualitativer Verlauf mit steigendem Magnetfeld lassen sich auf so genannten Hopping-Transport zurückführen, welcher bei diesen Temperaturen dominiert. Auch bei tiefen Temperaturen korreliert die Größe der Effekte stark mit der jeweiligen Clusteranordnung. Durch winkelabhängige Messungen, bei denen das externe Magnetfeld in der Ebene gedreht wurde, konnte zusätzlich ein direkter Einfluss der Orientierung der Clustermagnetisierung auf die Transporteigenschaften nachgewiesen werden.