Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-4223
Braak, Heiko
Mit Mangan und Eisen ko-dotiertes Germanium: Ein ferromagnetischer Halbleiter?
VI, 78 S., 2006
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Herstellung und Charakterisierung ferromagnetischer
Halbleiter. Durch Ko-Dotieren von Germanium mit Mangan und
Eisen soll ein ferromagnetisches, halbleitendes Material synthetisiert werden und
dessen Curie-Temperatur gegenüber Ge(Mn)-Filmen erhöht werden. Epitaktische
Ge(Mn,Fe)-Schichten werden in einer MBE-Anlage durch lagenweises Aufdampfen
der Elemente hergestellt. Durch nachträgliches Anlassen durchmischen sich
die Multilagen.
Das sukzessive Hinzufügen von Eisen verändert das magnetische Verhalten
drastisch. Die in Ge(Mn)-Filmen detektierte Mn11Ge8-Phase ist nicht mehr nachweisbar.
Verglichen mit den Ge(Mn)-Schichten steigt der Anteil der Mn5Ge3-
Phase an der Magnetisierung stark an. Zusätzlich tritt eine unbekannte magnetische
Tieftemperatur-Phase (TT-Phase) mit einer Curie-Temperatur von 210K
auf. Der Beitrag dieser TT-Phase zur Magnetisierung ist gering. Die Ge(Mn,Fe)-
Filme haben halbleitende Eigenschaften. Der anomale Halleffekt ist vernachlässigbar.
Die Mikrostrukturanalyse zeigt eine inhomogene Schicht mit Mn-haltigen
Clustern.
Das Reduzieren der Anlasstemperatur verringert die Anzahl der Cluster, die
der Mn5Ge3-Phase zugeordnet werden können, signifikant. Die Temperaturabh
ängigkeit der Magnetisierung zeigt wieder die Signatur der beiden magnetischen
Phasen. Der Anteil der TT-Phase an der Magnetisierung ist jedoch stark erhöht
und viel gröÿer als jene der Cluster-Phase. Zylinderförmige Inhomogenitäten mit
einer, im Vergleich zur Matrix, erhöhten Mn- und Fe-Konzentration durchsetzen
die Probe. Sowohl für die TT- als auch für die Cluster-Phase lässt sich ein
deutlicher anomaler Halleffekt nachweisen.
Eine Optimierung der relativen Mn- und Fe-Konzentration unterdrückt die
Bildung der Cluster-Phase, und die Magnetisierungsmessung zeigt nur noch die
TT-Phase. Die kristalline Ordnung der zylinderförmigen Strukturen im Film zeigen
eine klare epitaktische Beziehung zur umgebenden Matrix. Der optimierte
Ge(Mn,Fe)-Film zeigt halbleitenden Charakter mit Löcherleitung. Der anomale
Halleffekt der TT-Phase ist etwa eine Gröÿenordnung stärker als in den
Ge(Mn,Fe)-Filmen, die Cluster enthalten.
Um die Frage zu beantworten, ob die optimierten, einphasigen Ge(Mn,Fe)-
Filme ferromagnetische Halbleiter sind, bedarf es weiterer Experimente, die
den intrinsischen, ladungsträger-induzierten Ferromagnetismus direkt nachweisen.
Das Auftreten des anomalen Halleffekts ist zwar eine notwendige aber nicht
hinreichende Bedingung für einen ferromagnetischen Halbleiter, da - wie hier
gezeigt auch Cluster-Phasen zum anomalen Halleffekt beitragen können.
This thesis describes the synthesis and characterization of diluted magnetic semiconductors.
The potential of co-doping germanium with manganese and iron to
increase the Curie-temperature of diluted magnetic semiconducting Ge(Mn)-films
is explored. Epitaxial Ge(Mn,Fe)-films are prepared by evaporating the three elements
layer-by-layer in a MBE-system. Post annealing intermixes the sequentially
evaporated films by diffusion.
Adding a small amount of iron to Ge(Mn)-films results in a drastically different
magnetization behavior of the films. The Mn11Ge8-phase, which is detected
in the Ge(Mn)-films, vanishes and the contribution of the Mn5Ge3-phase to the
magnetization strongly increases compared to the Ge(Mn)-films. An unknown
magnetic low-temperature phase (LT-phase) with a Curie-temperature of 210K
appears. The contribution of this LT-phase to the magnetization is very small.
Transport measurements reveal for these samples p-type semiconducting properties
and the anomalous Hall effect is negligible. The microstructure analysis shows
a strongly inhomogeneous sample with Mn-containing clusters.
Decreasing the annealing temperature significantly reduces the number of
clusters, which can be attributed to the Mn5Ge3-phase. The temperature dependence
of the magnetization shows again the presence of the two magnetic phases.
The contribution of the LT-phase to the magnetization is strongly increased and
much larger than that of the cluster phase. The film contains cylindrical inhomogeneities
with higher Mn- and Fe-concentrations than the surrounding matrix.
The anomalous Hall effect shows contributions for both the LT-phase and the
cluster phase.
The formation of the cluster phase is suppressed by optimizing the relative
Mn- and Fe-concentrations, and the magnetization measurements reveal only
the LT-phase. The crystal structure of the cylindrical inhomogeneities has a
precise eptiaxial relation to the matrix. The optimized p-type semiconducting
Ge(Mn,Fe)-film shows an almost one magnitude higher anomalous Hall effect of
the LT-phase than the Ge(Mn,Fe)-film containing clusters.
Only further experiments addressing the intrinsic carrier-induced ferromagnetism
can answer the question, whether the optimized, single-phase Ge(Mn,Fe)-
film with a Curie-temperature of 210K is a diluted ferromagnetic semiconductor.
The presence of the anomalous Hall effect is a necessary but not sufficient condition
for a ferromagnetic semiconductor, because - as shown here - cluster phases
can also give rise to an anomalous Hall effect.
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