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- URN zum Zitieren dieses Dokuments:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-297552
- DOI zum Zitieren dieses Dokuments:
- 10.5283/epub.29755
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Geißler, Stefan Michael (2014) Transportuntersuchungen an ferromagnetischen (Ga,Mn)As-Nanokontakten. Dissertation, Universität Regensburg. [Gegenwärtig angezeigt]Vorschau
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Geißler, Stefan Michael
(2015)
Daten und Abbildungen zur Dissertation "Transportuntersuchungen an ferromagnetischen (Ga,Mn)As-Nanokontakten".
[Datensatz]
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| Dokumentenart: | Hochschulschrift der Universität Regensburg (Dissertation) |
|---|---|
| Open Access Art: | Primärpublikation |
| Datum: | 11 April 2014 |
| Begutachter (Erstgutachter): | Prof. Dr. Dieter Weiss und Prof. Dr. Dominique Bougeard |
| Tag der Prüfung: | 6 Februar 2014 |
| Institutionen: | Physik > Institut für Experimentelle und Angewandte Physik > Lehrstuhl Professor Weiss > Arbeitsgruppe Dieter Weiss |
| Stichwörter / Keywords: | (Ga,Mn)As, GaMnAs, verdünntmagnetischer Halbleiter, Nanostruktur, Transport, Einzel-Elektronen-Transport, Einzel-Elektronen-Transistor, SET, Spintronik, Magnetotransport, CBAMR |
| 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: | 29755 |
Zusammenfassung (Deutsch)
Wir berichten über die Herstellung und Charakterisierung von Nanokontakt (NC) -Strukturen aus dem verdünntmagnetischen Halbleiter (Ga,Mn)As. Die Arbeit wurde durch die Beobachtung von Schlapps et al. sowie Wunderlich et al. motiviert, dass (Ga,Mn)As-Proben, die eine einfache nanostrukturierte Engstelle in ihrem Strompfad besitzen, eine intrinsische Einzel-Elektronen-Transistor (SET)-Struktur ...
Zusammenfassung (Deutsch)
Wir berichten über die Herstellung und Charakterisierung von Nanokontakt (NC) -Strukturen aus dem verdünntmagnetischen Halbleiter (Ga,Mn)As. Die Arbeit wurde durch die Beobachtung von Schlapps et al. sowie Wunderlich et al. motiviert, dass (Ga,Mn)As-Proben, die eine einfache nanostrukturierte Engstelle in ihrem Strompfad besitzen, eine intrinsische Einzel-Elektronen-Transistor (SET)-Struktur aufweisen. Die ferromagnetische Ordnung und die hohe Spinpolarisation der freien Ladungsträger innerhalb der (Ga,Mn)As-Schicht birgt in Kombination mit der intrinsischen SET-Struktur die Möglichkeit, spinabhängigen Einzel-Elektronen-Transport im Coulomb-Blockade (CB)-Regime zu untersuchen.
Es werden verschiedene Methoden zur elektronenstrahllithographischen Definition der NC-Struktur evaluiert und deren Vor- und Nachteile mit Blick auf Reproduzierbarkeit und minimale Strukturgröße diskutiert. Als Ergebnis dieser Untersuchungen wird ein zweistufiger elektronenstrahllithographischer Prozess vorgestellt, mit dem sowohl die Länge als auch die Breite der NC-Struktur unabhängig voneinander in separaten Belichtungsschritten definiert werden kann. Damit ist es erstmals möglich, die Transporteigenschaften entsprechender NC-Strukturen systematisch in Abhängigkeit der Größe des NC zu untersuchen. Die dabei gewonnenen Messdaten legen den Schluss nahe, dass insbesondere die Breite des NC die Transportcharakteristik beeinflusst. Anhand von Annealing-Experimenten wird gezeigt, dass die Transporteigenschaften der NC-Proben maßgeblich durch Defekte im Bereich der Engstelle bestimmt werden. Es ist anzunehmen, dass die Defekte als Folge der Nanostrukturierung vermutlich während des Strukturübertrags von der lithographisch definierten Lackmaske auf die (Ga,Mn)As-Schicht durch Ionenstrahlätzen in das Material eingebracht werden.
Anhand eines exemplarischen Datensatzes wird demonstriert, dass sich das Transportverhalten eines typischen (Ga,Mn)As-Nanokontakts im CB-Regime im Prinzip durch die orthodoxe Theorie des Einzelelektronentunnelns nach Averin und Likharev beschreiben lässt. Im konkreten Fall befinden sich allerdings zwei parallel angeordnete, isolierte Inseln innerhalb des NC. Der Transport durch den NC wird hier also durch zwei parallele Transportkanäle getragen. Daraus ergibt sich das für (Ga,Mn)As-Nanokontakte typische, unregelmäßige Muster aus verschieden großen und verschieden breiten Coulomb-Diamanten. Das Muster der experimentellen Daten konnte mit Hilfe eines einfachen Double-Dot-Modells überzeugend nachgezeichnet werden. Durch die Erweiterung auf ein spinabhängiges Double-Dot-Modell können unter Berücksichtigung der Spinpolarisation der ferromagnetischen (Ga,Mn)As-Zuleitungen weitere Details nachgebildet werden. In diesem Bild lassen sich sowohl Bereiche mit spinselektivem Transport als auch Bereiche mit Spin-Blockade identifizieren.
Schließlich werden Untersuchungen in Abhängigkeit eines externen Magnetfeldes vorgestellt. Dabei wird der ungewöhnlich große negative Magnetwiderstand, der alle (Ga,Mn)As-Nanokontakt-Strukturen im CB-Regime auszeichnet, mit Hilfe eines spinabhängigen Variable-Range-Hopping-Modells nach Fukuyama und Yoshida beschrieben. Darüber hinaus wird auch der Einfluss der Magnetisierungsrichtung der Probe auf deren Transporteigenschaften untersucht. Die Interpretation dieser Messergebnisse im Bilde des etablierten anisotropen Coulomb-Blockade Magnetwiderstands (CBAMR) nach Wunderlich et al. lässt berechtigte Zweifel aufkommen, ob der zugrundeliegende Mechanismus des CBAMR-Effekts die Beobachtungen im Fall der (Ga,Mn)As-Nanokontakt-Proben tatsächlich erklären kann. Aus diesem Grund wird ausgehend von der Beschreibung des negativen Magnetwiderstands-Effekts ein alternatives Modell vorgeschlagen.
Übersetzung der Zusammenfassung (Englisch)
We report on the fabrication and characterization of nanocontact (NC) devices made of the diluted magnetic semiconductor (Ga,Mn)As. This work has been motivated by the observation of Schlapps et al. and Wunderlich at al. that (Ga,Mn)As-devices with a simple nanoconstriction within the current path exhibit an intrinsic single-electron-transistor (SET) structure. The ferromagnetic order as well as ...
Übersetzung der Zusammenfassung (Englisch)
We report on the fabrication and characterization of nanocontact (NC) devices made of the diluted magnetic semiconductor (Ga,Mn)As. This work has been motivated by the observation of Schlapps et al. and Wunderlich at al. that (Ga,Mn)As-devices with a simple nanoconstriction within the current path exhibit an intrinsic single-electron-transistor (SET) structure. The ferromagnetic order as well as the large spinpolarization of the free carriers of the (Ga,Mn)As-layer entails in combination with an intrinsic SET-structure the possibility to study spindependent single-electron-transport within the Coulomb-blockade (CB) regime.
We evaluate several methods for the definition of the NC by electron beam lithography and discuss their benefits and drawbacks concerning reproducibility and minimal feature size. As a result of these investigations we propose a two-step process for electron beam lithography. Within this process both the width and the length of the NC can be defined independently in individual exposure steps. Therefore, it is possible for the first time to investigate the influence of the NC-geometry on the transport behavior systematically. The experimental data suggest that especially the width of the NC has a strong influence on the transport characteristic. We demonstrate by annealing experiments, that the transport properties of our NC-devices are essentially influenced by defects in the vicinity of the NC. These defects are probably formed during the nanopatterning process when the lithographically defined structure of the resist is transferred to the (Ga,Mn)As-layer by ion-beam-etching.
We demonstrate using an exemplary dataset that the transport characteristic of a typical (Ga,Mn)As-nanocontact in the CB-regime can be described at least to some extent by the orthodox theory of single electron tunneling of Averin and Likharev. We were able to show that in our specific case there are obviously two isolated islands in parallel alignment within the NC. In this picture, transport is carried by two transport channels in parallel. From this we get an irregular Coulomb-diamond pattern, which is typical for (Ga,Mn)As-nanocontacts. Using a simple double-dot model, we were able to reproduce the Coulomb-diamond pattern of our exemplary dataset convincingly. Extending our model to a spin-dependent double-dot model and taking into account the spinpolarization of the leads, we were able to reproduce additional features of the experimental data. Within this context we were able to identify regions of spin-selective transport as well as regions of spin-blockade.
Finally, we investigate the influence of an external magnetic field on the transport characteristic of our NC-devices. We were able to describe the unusually large negative magnetoresistance, which is typical for all (Ga,Mn)As-nanocontact devices in the Coulomb-blockade regime, by the spin-dependent variable-range-hopping model of Fukuyama and Yoshida. Additionally, we study the influence of the magnetization direction of the device on its transport properties. The interpretation of the experimental data within the picture of the established Coulomb-blockade anisotropic magnetoresistance (CBAMR) model of Wunderlich et al. brings up some reasonable doubts, whether the underlying mechanism of the CBAMR-effect is able to explain the observations in the case of our (Ga,Mn)As-nanocontacts. Because of that, we suggest an alternative mechanism based on the effect of negative magneto resistance discussed before.
Metadaten zuletzt geändert: 26 Nov 2020 01:18
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