Zugl.: Hamburg, Univ., Diss., 2008

Zugl.: Zürich, Techn. Hochsch., Diss., 2005

Zugl.: Berlin, Freie Univ., Diss., 2007

Zugl.: Hamburg, Univ., Diss., 2008

Zugl.: Berlin, Freie Univ., Diss., 2007

Regensburg, Univ., Diss., 2009.

Techn. Universiẗat, Diss., 2005--München.

Ferromagnetic semiconductors (FS) promise the integration of magnetic memory functionalities and semiconductor information processing into the same material system. The prototypical FS (Ga,Mn)As has become the focus of semiconductor spintronics research over the past years. The spin-orbit mediated coupling of magnetic and semiconductor properties in this material gives rise to many novel transport-related phenomena which can be harnessed for device applications. In this thesis we address challenges faced in the development of an all-semiconductor memory architecture. A starting point for information storage in FS is the knowledge of their detailed magnetic anisotropy. The first part of this thesis concentrates on the investigation of the magnetization behaviour in compressively strained (Ga,Mn)As by electrical means. The angle between current and magnetization is monitored in magnetoresistance(MR) measurements along many in-plane directions using the Anisotropic MR(AMR) or Planar Hall effect(PHE). It is shown, that a full angular set of such measurements displayed in a color coded resistance polar plot can be used to identify and quantitatively determine the symmetry components of the magnetic anisotropy of (Ga,Mn)As at 4 K. We compile such "anisotropy fingerprints" for many (Ga,Mn)As layers from Wuerzburg and other laboratories and find the presence of three symmetry terms in all layers. The biaxial anisotropy term with easy axes along the [100] and [010] crystal direction dominates the magnetic behaviour. An additional uniaxial term with an anisotropy constant of ~10% of the biaxial one has its easy axis along either of the two <110> directions. A second contribution of uniaxial symmetry with easy axis along one of the biaxial easy axes has a strength of only ~1% of the biaxial anisotropy and is therefore barely visible in standard SQUID measurements. An all-electrical writing scheme would be desirable for commercialization. We report on a current assisted magnetization manipulation experiment in a lateral (Ga,Mn)As nanodevice at 4 K (far below Tc). Reading out the large resistance signal from DW that are confined in nanoconstrictions, we demonstrate the current assisted magnetization switching of a small central island through a hole mediated spin transfer from the adjacent leads. One possible non-perturbative read-out scheme for FS memory devices could be the recently discovered Tunneling Anisotropic MagnetoResistance (TAMR) effect. Here we clarify the origin of the large amplification of the TAMR amplitude in a device with an epitaxial GaAs tunnel barrier at low temperatures. We prove with the help of density of states spectroscopy that a thin (Ga,Mn)As injector layer undergoes a metal insulator transition upon a change of the magnetization direction in the layer plane. The two states can be distinguished by their typical power law behaviour in the measured conductance vs voltage tunneling spectra. While all hereto demonstrated (Ga,Mn)As devices inherited their anisotropic magnetic properties from their parent FS layer, more sophisticated FS architectures will require locally defined FS elements of different magnetic anisotropy on the same wafer. We show that shape anisotropy is not applicable in FS because of their low volume magnetization. We present a method to lithographically engineer the magnetic anisotropy of (Ga,Mn)As by submicron patterning. Anisotropic strain relaxation in submicron bar structures (nanobars) and the related deformation of the crystal lattice introduce a new uniaxial anisotropy term in the energy equation. We demonstrate by both SQUID and transport investigations that this lithographically induced uniaxial anisotropy overwrites the intrinsic biaxial anisotropy at all temperatures up to Tc. The final section of the thesis combines all the above into a novel device scheme. We use anisotropy engineering to fabricate two orthogonal, magnetically uniaxial, nanobars which are electrically connected through a constriction. We find that the constriction resistance depends on the relative orientation of the nanobar magnetizations, which can be written by an in-plane magnetic field. This effect can be explained with the AMR effect in connection with the field line patterns in the respective states. The device offers a novel non-volatile information storage scheme and a corresponding non-perturbative read-out method. The read out signal is shown to increase drastically in samples with partly depleted constriction region. This could be shown to originate in a magnetization direction driven metal insulator transition of the material in the constriction region. / Ferromagnetische Halbleiter (FS) versprechen die Integration von magnetischen Eigenschaften für Speicheranwendungen und halbleitenden Eigenschaften zur Informationsverarbeitung innerhalb des selben Materialsystems. (Ga,Mn)As ist als Modellsystem in den letzten Jahren in den Fokus der Halbleiterspintronik gerückt. Die Kopplung der magnetischen und elektrischen Eigenschaften über die Spin-Bahn-Wechselwirkung ist die Ursache vieler neuer Transportphänomene. Sie sind Grundlage neuartiger Anwendungen und Bauteildesigns. In dieser Arbeit beschäftigen wir uns mit den Herausforderungen, die die Entwicklung einer halbleitenden Speicherarchitektur mit sich bringt. Die Kenntnis der magnetischen Anisotropie ist die Grundlage für die magnetische Informationsspeicherung. Der erste Teil der Arbeit beschäftigt sich deshalb mit der Untersuchung des Verhaltens der Magnetisierung in kompressiv verspannten (Ga,Mn)As Schichten durch elektrische Messungen. Bei Magnetfeld-Scans entlang vieler Richtungen in der Schichtebene wird der von Strom und Magnetisierung eingeschlossene Winkel mittels des Anisotropen Magnetowiderstandseffektes(AMR) oder des Planaren Hall Effektes(PHE) beobachtet. Eine winkelabhängige Reihe solcher Messungen, dargestellt in einem farbkodierten Widerstandspolardiagramm, wird zur Identifizierung und quantitativen Bestimmung der Symmetriekomponenten der magnetischen Anisotropie bei 4 K verwendet. Solche „Anisotropiefingerabdrücke" von vielen (Ga,Mn)As Schichten aus Würzburg und anderen Laboratorien bestätigen das Vorhandensein von drei Anisotropiekomponenten bei 4 K. Der vierzählige Anteil mit weichen Achsen entlang der [100] und [010] Kristallrichtung dominiert die magnetischen Eigenschaften. Ein weiterer Anteil, mit zweizähliger Symmetrie, typische Anisotropiekonstante ~10% der vierzähligen, hat seine weiche Achse entlang einer <110> Richtungen. Eine zweite zweizählige Komponente mit weicher Achse entlang [100] oder [010] wird wegen seiner kleinen Anisotropiekonstante (1% der vierzähligen) in SQUID Messungen oft übersehen. Elektrisches Schreiben wäre für kommerzielle Anwendungen interessant. Wir demonstrieren strominduziertes Magnetisierungsschalten in einer lateralen (Ga,Mn)As Struktur bei 4 K. Wir lesen den großen Widerstand aus, der durch das geometrische Confinement von Domänenwänden in Verengungen entsteht. Das stromunterstützte Umschalten der Magnetisierung einer kleinen Insel durch ladungsträger-übermittelten Spin-Transfer von den größeren Zuleitungen kann nachgewiesen werden. Eine Moeglichkeit zur nichtzerstörenden Messung des Magnetisierungszustandes eines Halbleiterspeicherelementes ist die Nutzung des Anisotropen Tunnelmagnetowiderstandseffekts (TAMR). Hier wird der Ursprung der großen Verstärkung des Effektes in einer Struktur mit epitaktisch gewachsenener Tunnelbarriere bei niedrigen Temperaturen untersucht und erklärt. Es wird gezeigt, dass eine dünne (Ga,Mn)As Injektorschicht vom metallischen in den isolierenden Zustand übergeht, wenn die Magnetisierungsrichtung in der Schichtebene gedreht wird. Zustände auf der metallischen Seite des MIT können leicht von Zuständen auf der isolierenden Seite am Anstieg der Tunnelleitfähigkeitskennlinie unterschieden werden. Um den Anforderungen von komplexeren Architekturen und Designs gerecht zu werden, wird hier eine Methode eingeführt, um erstmals die magnetische Anisotropie in (Ga,Mn)As lokal zu kontrollieren. Typische (Ga,Mn)As Strukturen habe eine vernachlässigbar kleine Formanisotropie. Die neuartige Methode zur lokalen Einstellung der magnetischen Anisotropie, beruht auf der Mikrostrukturierung und der damit verbundenen anisotropen Relaxation des Kristallgitters. SQUID- und Transportmessungen demonstrieren die uniaxiale magnetische Anisotropie der lithographisch definierten Submikrometer-Streifen (Nanobars), die im gesamten Temperaturbereich von 4 K bis zu Tc die magnetischen Eigenschaften der Strukturen bestimmt. Im letzten Teil der Arbeit nutzen wir die Anisotropiekontrolle zum Design eines nicht-flüchtigen ferromagnetischen Halbleiter-Speicherelementes. Zwei senkrecht zueinander angeordnete, magnetisch uniaxiale Nanobars sind an einer Ecke über eine Verengung elektrisch verbunden. Die relative Orientierung ihrer Magnetisierungsvektoren wird durch ein Magnetfeld eingestellt. Der geschriebene Magnetisierungszustand bleibt bei ausgeschaltetem Feld erhalten und ist durch die Messung des elektrischen Widerstandes der Verengung auslesbar. Feldlinienbilder der verschiedenen magnetischen Zustände in Kombination mit dem AMR Effekt können dieses Verhalten erklären. Das Auslesesignal, also der Widerstandsunterschied zwischen den Zuständen, kann bedeutend verstärkt werden, indem eine Struktur mit teilweise verarmter Verengung verwendet wird. Wie in der TAMR Struktur, ist die Verstärkung auf einen Metall-Isolator-Uebergang beim Drehen der Magnetisierung zurückzuführen.

Zugl.: München, Techn. Univ., Diss., 2008

This thesis reports a successful fabrication and characterisation of ferromagnetic/superconductor junction (F/S) on graphene. The thesis preposes a fabrication method to produce F/S junctions on graphene which make use of ALD grown Al2O3 as the tunnel barrier for the ferromagnetic contacts. Measurements done on F/G/S/G/F suggests that by injecting spin polarised current into the superconductor, a spin imbalance is created in the quasiparticle density of states of the superconductor which then diffuses through the graphene channel. The observed characteristic curves are similar to the ones which are already reported on metallic ferromagnet/superconductor junctions where the spin imbalance is created using Zeeman splitting. Further measurements also show that the curves loose their characteristic shapes when the temperature is increased above the critical temperature (Tc) or when the external magnetic field is higher then the critical field (Hc) of the superconducting contact. But to prove conclusively and doubtlessly the existence of spin imbalance in ferromagnet/superconductor junctions on graphene, more devices have to be made and characterised preferably in a dilution refrigerator. / Diese Arbeit berichtet über die erfolgreiche Herstellung und Charakterisierung eines Ferromagnet-Supraleiter (F/S)-Kontaktes. Die Arbeit schlägt eine Herstellungsmetode vor, um F/S-Kontake auf Graphen zu erstellen, welche ALD wachsendes Al2O3 als Tunnelbarriere für die ferromagnetischen Kontakte verwendet. Messungen an F/G/S/G deuten darauf hin, dass durch Injektion eines spinpolarisierten Stroms in den Supraleiter ein Spinungleichgewicht in der Quasiteilchendichte der Zustände des Supraleiters erzeugt wird, welche dann durch die Graphenkanäle diffundieren. Die beobachteten charakteristischen Kurven sind vergleichbar mit solchen, über die bereits in metallischen Ferromagnet/Supraleiter-Kontakten berichtet wurde, in denen das Spinungleichgewicht durch die Zeemann Aufspaltung erzeugt wird. Weitere Messungen zeigen auch, dass die Kurven ihre charakteristische Form verlieren, wenn die Temperatur über die kritische Temperatur erhöht wird oder das äußere Magnetfeld größer als das kritische Magnetfeld (HC) des supraleitenden Kontakts ist. Um die Existenz des Spinungleichgewichts in Ferromaget/Supraleiter-Kontakten auf Graphen schlussfolgernd und zweifelsfrei zu beweisen, wurden mehrere Proben hergestellt und bevorzugt in einem Mischungskryostaten charakterisiert.