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- URN zum Zitieren dieses Dokuments:
- urn:nbn:de:bvb:355-opus-7006
- DOI zum Zitieren dieses Dokuments:
- 10.5283/epub.10460
| Dokumentenart: | Hochschulschrift der Universität Regensburg (Dissertation) | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| Open Access Art: | Primärpublikation | ||||
| Datum: | 14 September 2006 | ||||
| Begutachter (Erstgutachter): | Dieter (Prof. Dr.) Weiss | ||||
| Tag der Prüfung: | 10 März 2006 | ||||
| Institutionen: | Physik > Institut für Experimentelle und Angewandte Physik > Lehrstuhl Professor Weiss > Arbeitsgruppe Dieter Weiss | ||||
| Klassifikation: |
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| Stichwörter / Keywords: | Tunneleffekt , Eisen , Galliumarsenid , Tunnelmagnetowiderstand , Metall-Halbleiter-Kontakt , Halbleiteroberfläche , Halbleiterschicht , Drei-Fünf-Halbleiter , Tunnelkontakt , Magnetisches Tunnelelement , Metall-Isolator-Metall-System , Hochfeldmagnetowiderstand , highfield magnetoresistance | ||||
| 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: | 10460 |
Zusammenfassung (Deutsch)
In dieser Arbeit wurden Tunnelkontakte mit einkristalliner GaAs-Barriere untersucht. Der Tunnelmagnetowiderstand (TMR) in Ferromagnet/GaAs/Ferromagnet-Kontakten hängt dabei sehr sensitiv von der Grenzfläche ab. Eine starke Welligkeit der Barriere kann beispielsweise aufgrund der Orange-Peel-Kopplung zu einer ferromagnetischen Kopplung der Fe-Elektroden und damit zu einer Unterdrückung des ...
Zusammenfassung (Deutsch)
In dieser Arbeit wurden Tunnelkontakte mit einkristalliner GaAs-Barriere untersucht. Der Tunnelmagnetowiderstand (TMR) in Ferromagnet/GaAs/Ferromagnet-Kontakten hängt dabei sehr sensitiv von der Grenzfläche ab. Eine starke Welligkeit der Barriere kann beispielsweise aufgrund der Orange-Peel-Kopplung zu einer ferromagnetischen Kopplung der Fe-Elektroden und damit zu einer Unterdrückung des TMR-Effekts führen. Eine veränderte Kristallorientierung der GaAs-Barriere zeigte hingegen kaum Auswirkungen auf die Eigenschaften der Tunnelelemente. Kobalt und Nickel durchmischten stark mit GaAs und es ergaben sich folglich nur ohmsche Kontakte. Bei Fe/GaAs/NiFe-Tunnelkontakten ergibt sich ein sehr kleiner TMR-Effekt von etwa 0,06% bei 20 mV Spannung und ein stark reduzierter Tunnelwiderstand. Auch hier wird von einer starken Durchmischung an der NiFe-Grenzfläche ausgegangen. Vermeidet man Hochtemperaturschritte während der Probenprozessierung, so erhöht sich der TMR bei Fe/GaAs/Fe-Tunnelkontakten um knapp 80% auf 1,50% bei 20 mV Spannung. Nachträgliches Tempern der Proben führt zu einer stärkeren Durchmischung an der Fe/GaAs-Grenzfläche und damit sowohl zu einer Reduktion des TMR als auch des Tunnelwiderstands. Messungen zur Abhängigkeit des Tunnelwiderstands vom Winkel zwischen den Magnetisierungen der beiden ferromagnetischen Elektroden ergaben die erwartete cos-Abhängigkeit. Um die Oxidschicht, die sich aufgrund der Prozessierung auf der GaAs-Oberfläche befindet, bei anderen Proben zu entfernen, wurde die GaAs-Oberfläche mit Argon-Ionen vorgesputtert. In so prozessierten Fe/GaAs/Fe-Tunnelkontakten ergab sich der höchste in dieser Arbeit gemessene TMR-Effekt von gut 3% bei 3 mV Spannung und 4,2 K. Im Jullière-Modell entspricht dies einer Spinpolarisation von 12,2%. Für polykristalline Fe-Kontakte erwartet man eine Spinpolarisation von gut 40%, die stark reduzierte Polarisation wird auf die durchmischte Fe/GaAs-Grenzfläche zurückgeführt. Bei höheren Messtemperaturen ergibt sich eine starke Abnahme des TMR-Effekts mit einer völligen Unterdrückung bei Raumtemperatur. Mögliche Ursachen werden in der Arbeit diskutiert. Die Grenzflächensensitivität des TMR-Effekts zeigt sich beim Einbringen ultradünner Schichten (0,2 nm) zwischen den Fe-Elektroden und der GaAs-Barriere. Au- als auch Co-Zwischenschichten führen zu einer vollständigen Unterdrückung des TMR. Zusätzlich zum TMR-Effekt zeigten alle Tunnelkontakte einen Magnetowiderstands-Effekt bei hohen Magnetfeldern (HMR). Bei Verwendung von nichtmagnetischen Elektroden zeigte sich einheitlich ein von der Barrierendicke abhängiger positiver HMR, der kaum von Temperatur und Spannung abhängt. Für dünne GaAs-Barrieren ergibt sich bei magnetischen Fe-Elektroden ein negativer HMR, für dicke Barrieren kommt es zu einem positivem HMR. Dieser ist auch stark von der Temperatur und Spannung abhängig. Als mögliche Erklärungen für den HMR werden die Lorentz-Ablenkung der tunnelnden Elektronen, Streuung an paramagnetischen Fe-Verunreinigungen, Zeeman-Aufspaltung der Leitungsbandkante der GaAs-Barriere und die Hochfeld-Suszeptibilität der magnetischen Elektroden diskutiert. Messungen an Fe/GaAs-Tunnelkontakten mit supraleitender Al-Gegenelektrode zeigten keinerlei Anzeichen der supraleitenden Energielücke. Die direkte Bestimmung der Spinpolarisation der ferromagnetischen Elektrode war mit diesem Aufbau folglich nicht möglich. Die in dieser Arbeit vorgestellten Messungen deuten auf den entscheidenden Einfluss der Grenzfläche auf die Eigenschaften eines magnetischen Tunnelkontakts hin. Die Fe/GaAs-Grenzfläche erweist sich als kritisch, da die beiden Materialien vor allem bei höheren Temperaturen zur Legierungsbildung neigen.
Übersetzung der Zusammenfassung (Englisch)
This thesis reports on the fabrication and characterization of magnetic tunnel junctions with single-crystal GaAs-barriers. It is demonstrated, that the tunneling magnetoresistance (TMR) of ferromagnet/GaAs/ferromagnet junctions is especially sensitive to the interface. A strong undulation of the barrier leads to a suppression of the TMR due to orange-peel-coupling between the ferromagnetic ...
Übersetzung der Zusammenfassung (Englisch)
This thesis reports on the fabrication and characterization of magnetic tunnel junctions with single-crystal GaAs-barriers. It is demonstrated, that the tunneling magnetoresistance (TMR) of ferromagnet/GaAs/ferromagnet junctions is especially sensitive to the interface. A strong undulation of the barrier leads to a suppression of the TMR due to orange-peel-coupling between the ferromagnetic contacts, for example. A change of the crystal orientation of the GaAs-barrier does hardly alter the properties of the tunnel junctions. Cobalt and Nickel alloys with GaAs and as consequence junctions with this contacts showed an ohmic behavior. Fe/GaAs/NiFe-tunnel junctions show a very small TMR-effect of about 0,06% at 20 mV bias voltage and a considerably reduced tunneling resistance. It is assumed, that the NiFe/GaAs-interface is highly intermixed. If high temperature steps during the fabrication process are eliminated, the TMR effect in Fe/GaAs/Fe-junctions is enhanced by about 80% to 1,50% at 20 mV bias voltage. Post annealing of this samples leads to stronger alloying at the Fe/GaAs-interface and hence to a reduction of the TMR as well as the tunneling resistance. The dependence of the angle between the magnetizations of the ferromagnetic contacts and the tunneling resistance showed the expected cos-dependence. To remove the oxide layer, which is located at the GaAs-surface due to the fabrication process, the surface was cleaned by Argon-ion-sputtering. The corresponding Fe/GaAs/Fe-junctions showed a TMR of about 3% at a bias of 3 mV and 4,2 K, corresponding to a spin polarisation of 12,2% in the Jullière-modell. From polycrystalline Fe-contacts a spin polarisation of 40% is expected, the strong reduction is ascribed to intermixing of Fe and GaAs. If the samples are measured at higher temperatures, the TMR is significantly reduced with a vanishing effect at room temperature. Possiple reasons are discussed. Inserting very thin (0,2 nm) �dusting layers� between the Fe-electrodes and the GaAs-barrier shows the interface sensitivity of the TMR. Thin Au- as well as Co-layers lead to a large suppression of the TMR. In addition to the TMR effect all tunnel junctions exhibited a distinct magnetoresistance at high magnetic fields (HMR). With nonmagnetic contacts there is always a positive HMR, which increases with the barrier thickness, but is almost independent of temperature or bias voltage. Thin GaAs-barriers with magnetic Fe-electrodes showed a negative HMR, whereas there is a positive HMR for thicker barriers and very high fields. This effect strongly depends on temperature und bias voltage. Possible explanations of the highfield-magnetoresistance are the Lorentz force, scattering on paramagnetic Fe-ions, Zeeman-splitting of the conduction band edge of the GaAs-barrier and the highfield susceptibility of the magnetic contacts. Measurements on Fe/GaAs-tunnel junctions with superconducting Al-counter electrode showed no signs of the superconducting energy gap. The direct determination of the spin polarisation of the ferromagnetic electrode was hence not possible. This work points at the key role of the interface for the characteristics of a magnetic tunnel junction. The Fe/GaAs-interface proves to be critical, because the materials tend to alloy with each other, especially at elevated temperatures.
Metadaten zuletzt geändert: 26 Nov 2020 12:56
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