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Le (Ga,Mn)As est un matériau de choix pour l'électronique de spin, étant à la fois semiconducteur et ferromagnétique, à la suite de l'interaction d'échange entre les spins des atomes de manganèse (3d5-4s2), et ceux des trous qu'ils apportent. Sa température de Curie (Tc) se situe typiquement entre 50 et 150 K.<br />Afin de découpler les dopages magnétique ([Mn]) et électrique (p), une technique de passivation par hydrogène a été développée, pour former des complexes (Mn,H) électriquement neutres. Ses effets magnétiques (apparition d'une phase paramagnétique), électriques (diminution de p) et structuraux sur la couche ont tout d'abord été étudiés. <br />Puis, des échantillons de dopage croissant ont été fabriqués grâce à ce procédé, pour des couches en tension ou en compression. Un bon accord avec les prévisions de la théorie de champ moyen a été obtenu pour l'évolution de leur anisotropie magnétique, et de leurs Tc en fonction de la contrainte épitaxiale, et de la densité de porteurs.<br />Une dernière étude s'est penchée sur les domaines magnétiques et les mécanismes de renversement d'aimantation de couches continues, puis de microstructures monodomaines aimantées perpendiculairement au plan. Un procédé de passivation locale par hydrogénation a été développé pour structurer magnétiquement des couches de (Ga,Mn)As (taille minimale des motifs ~ 200 nm). Il a entre autres permis d'abaisser fortement les champs de retournement d'aimantation de réseaux de plots microniques, par rapport à ceux obtenus dans des structures fabriquées par gravure. Enfin, des résultats préliminaires de déplacement de parois de domaines par un champ magnétique ou un courant polarisé ont été obtenus dans des pistes structurées par hydrogénation.

This Dissertation explores the interaction between the magnetisation and an alternating current in a uniform ferromagnetic system. Diluted magnetic semiconductors (Ga,Mn)As and (Ga,Mn)(As,P) have been studied. Due to their strong spin-orbit coupling and well-understood band-structure, these materials are well-suited to this investigation. The combined effect of spinorbit coupling and exchange interaction permits the alternating current to induce an oscillating current-induced torque (CIT) on the magnetisation. In the frequency range close to the natural resonance frequency of the magnetic moments (gigahertz), CIT can excite precessional motion of the magnetisation, a process known as ferromagnetic resonance (FMR). CIT can be parameterised by an effective magnetic field. By analysing the lineshape of the measured FMR signals, the magnitude and orientation of this effective field have been accurately determined. Moreover, the current-induced fields in these ferromagnetic materials have been observed with symmetries of the Dresselhaus, and for the first time, Rashba spin-orbit coupling. A new class of device-scale FMR technique, named as CIT-FMR, has been established in this Dissertation, with the advantage of simple device structure (only a resistor is required) and scalability (measurements have been performed on devices sized from 4 μm down to 80 nm). This technique is not only limited to magnetic semiconductors, but can also be transferred to study other ferromagnetic systems such as ultrathin metal films. Finally, the CIT-FMR technique is employed to study the magnetic anisotropyin individual (Ga,Mn)As and (Ga,Mn)(As,P) micro-devices. Devices down to 80 nm in width have been measured in (Ga,Mn)(As,P), which show strong strain-relaxation-induced anisotropy, larger than any previously reported cases on (Ga,Mn)As. Furthermore, due to the tensile-strain on the (Ga,Mn)(As,P) epilayers, the anisotropy field due to patterning-induced strain-relaxation in these devices is observed to take the opposite direction compared to that in the compressively-strained (Ga,Mn)As samples.

David Wagenknecht: Abstract of a diploma thesis Optical response of magnetic materials, 2014 Magnetooptical properties of anisotropic semiconductors are studied to describe asymmetry of Ga1−xMnxAs, because theoretical calculations predict extraordinary behaviour of reflectivity. Analytical formulae to describe materials with non-diagonal permittivity are derived and they are used for the numerical calculations to describe the optical response of the samples available for the measurement. The transversal Kerr effect is calculated and it exhibits asymmetry in both rotation of the plane of polarization and ellipticity of circularly polarized light due to asymmetry in reflectivity. Moreover, longitudinal and polar magnetization are studied because of the influence on the observability of the phenomena. Results are not only used to discuss conditions, which must be satisfied to prove the asymmetry, but also the actual experimental setup is designed to prepare the measurement. 1

Les semiconducteurs dopés avec des ions magnétiques (DMS) sont des matériaux prometteurs pour des applications dans le domaine émergent de la spintronique. Pour relever ce défi, une grande quantité d'impuretés magnétiques devraient entrer dans le cristal de la structure d'accueil sans séparation de phase, donc une caractérisation détaillée à l'échelle nanométrique est obligatoire. La spectroscopie d'absorption des rayons X est une technique bien adaptée pour sonder l'ordre locale, de manière à comprendre les mécanismes responsables de la spécificité des propriétés physiques de ces matériaux. Le point de départ de cette étude est le bien connu GaAs dopés avec Mn où la présence de défauts de Mn interstitiel réduit la température de transition ferromagnétique (T_C) et des traitements après croissance sont nécessaires en tant que remède. Un nouveau matériau prometteur c'est le GaN dopé Fe, présentant des propriétés magnétiques intéressantes quand dopé autour de la limite de solubilité du Fe. Dans ce cas, la question clé est la transition du Fe substitutionel à la précipitation en nano-cristaux riches en Fe, en passant par des conditions de décomposition spinodale. En effet, on observe que la T_C est augmentée considérablement par l'exploitation de la décomposition spinodale comme le montre le cas du Mn dans le Ge où il y a la création de nano-colonnes ferromagnétiques riches en Mn présentant un caractère de structure locale désordonnée dans un hôte cristallin. Enfin, les premières données de l'incorporation du Mn dans les nano-fils de GaAs et InAs sont enregistrées. Ces systèmes sont appelés à jouer un rôle clé dans la fabrication de dispositifs DMS à une dimension.

GaMnAs est un semiconducteur ferromagnétique dilué dont l'ordre ferromagnétique résulte de l'interaction d'échange entre des porteurs et des ions magnétiques. La structure des domaines magnétiques et la dynamique de parois ont été étudiées par une technique d'impulsions de champ magnétique couplée à la microscopie Kerr dans des couches minces à aimantation perpendiculaire. Le recuit post-croissance supprime la croissance anisotrope des domaines en réduisant les fluctuations d'anisotropie. La constante d'échange, la largeur et l'énergie de paroi ont été obtenues à l'aide d'un modèle d'auto-organisation. L'étude de la dynamique de paroi sous champ magnétique met en évidence, au-delà du régime de reptation contrôlé par les défauts, le régime de Walker et le régime précessionnel gouvernés par la dissipation. Le coefficient d'amortissement obtenu, 30 fois plus grand qu'en résonance ferromagnétique, est cohérent avec un modèle incluant la non-conservation du module de l'aimantation.

Spectrally-resolved differential reflectivity experiments on GaMnAs over a broad spectral range (1.4-2.0 eV) are presented, representing the first such measurements in a III-Mn-V diluted magnetic semiconductor. Comparison of the measured nonlinear spectra with results in GaAs and LT-GaAs, together with calculations of the pump probe signal contributions, has allowed an unambiguous identification of the relevant scattering and relaxation processes for optically-excited carriers in this material system. The measured spectra indicate a clear blue shift in the nonlinear optical response, providing support for the valence band model of ferromagnetism in III-Mn-V diluted magnetic semiconductors. / Spectrally-resolved differential reflectivity experiments on GaMnAs over a broad spectral range (1.4-2.0 eV) are presented, representing the first such measurements in a III-Mn-V diluted magnetic semiconductor. Comparison of the measured nonlinear spectra with results in GaAs and LT-GaAs, together with calculations of the pump probe signal contributions, has allowed an unambiguous identification of the relevant scattering and relaxation processes for optically-excited carriers in this material system. The measured spectra indicate a clear blue shift in the nonlinear optical response, providing support for the valence band model of ferromagnetism in III-Mn-V diluted magnetic semiconductors.

In this work we study ultrafast laser-induced magnetization dynamics in samples of ferromagnetic semiconductor Ga1−xMnxAs with a nominal concentration of Mn within the range of x = 0,015-0,14. To get information about magnetization movement we use magneto-optic phenomena PKE and MLD in a time-resolved pump & probe experiment. Thorough analysis of the measured magneto-optical signal allows us to disentangle contributions due to angular movement of magnetization and due to demagnetization and to reconstruct 3D motion of magnetization vector without any numerical modeling. First we explain the basis of this experimental method and we demonstrate its utilization on the measured data. After that we study angular movement of magnetization vector and its dependence on the external magnetic field, excitation intensity and Mn concentration. The pump pulse helicity dependent and independent dynamics were treated separately. In the case of demagnetization we have been able to observe not only its intensity and Mn doping dependence but also the magnetic field dependence, which has not been reported so far in the literature.

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