Die vorliegende Arbeit behandelt drei Themen aus der Forschung an nanostrukturierten Halbleitern im Umfeld der Spintronik und Optoelektronik. 1) Einzelne semimagnetische Quantenpunkte Mn-dotierte, und damit semimagnetische Halbleiter zeichnen sich durch eine sp-d-Austauschkopplung zwischen den freien Ladungsträgerspins und den Mn-Spins aus. Für ein optisch injiziertes Exziton bedeutet dies eine Austauschenergie, die sich proportional zur Mn-Magnetisierung im Exzitonvolumen verhält. Lokalisiert man das Exziton in einem Quantenpunkt, so kann man es als Sonde für die Magnetisierung in der Nanoumgebung gebrauchen. Bedingung hierfür ist die spektroskopische Selektion einzelner Quantenpunkte. Die Selektion einzelner CdSe/ZnMnSe-Quantenpunkte konnte realisiert werden durch die lithographische Präparation einer lichtundurchlässigen Metallmaske auf der Probenoberfläche, versehen mit nanoskaligen Aperturen. Die Photolumineszenz(PL)-Emission an diesen Aperturen zeigt individuelle PL-Linien entsprechend einzelner Quantenpunkte. Mittels Magneto-PL-Spektroskopie gelingt es das magnetische Moment einzelner Quantenpunkte von wenigen 10 Bohrmagneton sowie die thermische Fluktuation dieses Moments aufzuklären. Sowohl die Temperatur- als auch die Magnetfeldabhängigkeit der Exziton-Mn-Kopplung werden im Rahmen eines modifizierten Brillouinmodells konsistent beschrieben. 2) Ferromagnet-DMS-Hybride Eine lokale Beeinflussung von Spins im Halbleiter wird möglich durch die Präparation von ferromagnetischen Strukturen auf der Halbleiteroberfläche. Die magnetischen Streufelder, welche von nanostrukturierten Ferromagneten (FM) erzeugt werden, können auf mesoskopischer Längenskala eine Verbiegung der Spinbänder in einem Quantenfilm bewirken. Dies gilt insbesondere für einen semimagnetischen (DMS-)Quantenfilm vom Typ ZnCdMnSe/ZnSe, wie er im vorliegenden Fall Verwendung fand. Aufgrund der Verstärkerfunktion der Mn-Spins liegen hier nämlich riesige effektive g-Faktoren vor, welche im Magnetfeld große Spinaufspaltungen produzieren. Wie magnetostatische Rechnungen für Drahtstrukturen aus ferromagnetischem Dysprosium (Dy) offenlegen, sind bei senkrechter Magnetisierung Streufelder in der Größenordung von 0.1 bis 1 T in der Quantenfilmebene darstellbar. Magneto-PL-Messungen mit hoher Ortsauflösung demonstrieren tatsächlich einen Einfluß der nanostrukturierten Ferromagnete auf die exzitonischen Spinzustände im Quantenfilm und erlauben zudem einen Rückschluß auf die magnetische Charakteristik der FM-Nanostrukturen. 3) Einzelne Lokalisationszentren in InGaN/GaN-Quantenfilmen Die Lokalisation der Ladungsträger in nm-skaligen Materieinseln hat einen erheblichen Einfluss auf die optischen Eigenschaften eines InGaN-Quantenfilmes. Eine detaillierte Aufklärung dieses Effektes erfordert den reproduzierbaren, spektroskopischen Zugang zu einzelnen dieser Lokalisationszentren. Diese Bedingung wurde hier mit der Aufbringung einer Nanoaperturmaske auf der Halbleiteroberfläche erfüllt. PL-Spektren, gemessen an solchen Nanoaperturen bei einer Temperatur von 4 K, weisen tatsächlich einzelne, spektral scharfe Emissionlinien mit Halbwertsbreiten bis hinab zu 0.8 meV auf. Eine solche Einzellinie entspricht dabei der PL-Emission aus in einem einzelnen Lokalisationszentrum, welche an dieser Stelle erstmalig nachgewiesen werden konnte. In den folgenden Experimenten zeigte sich interessanterweise, dass diese Einzellinien gänzlich andere Abhängigkeiten an den Tag legen als das inhomogene PL-Signal eines großen Ensembles von Zentren. Dies ermöglichte eine fundierte Beurteilung bislang kontrovers diskutierter Mechanismen, welche für die PL-Charakteristik von InGaN-Quantenfilmen relevant sind. Als bestimmende Faktoren erwiesen sich das interne Piezofeld, der Bandfülleffekt und die Bildung von Multiexzitonen. / This work treats three topics from the research on nanostructured semiconductors in the field of spintronics and optoelectronics. 1) Single semimagnetic quantum dots Semiconductors doped with Mn, so-called diluted magnetic semiconductors, exhibit an intense sp-d exchange interaction between free carrier spins and localized Mn spins. Due to this coupling an exciton, optically injected into the DMS semiconductor, acquires an exchange energy proportional to the Mn magnetization within the exciton volume. If the exciton localizes in a quantum dot it can be employed as a probe monitoring the magnetization in the nanoenvironment. However, this requires the spectroscopic selection of single quantum dots. In this work single CdSe/ZnMnSe quantum dots could be addressed with the help of an opaque metal mask on top of the semiconductor with nanoapertures prepared by electron lithography. The PL emission from such nanoapertures shows individual PL lines corresponding to single quantum dots. By means of magneto-PL-spectroscopy the magnetic moment of single quantum dots of only some tens of Bohrmagnetons is addressed, including its thermal fluctuations. The temperature as well as magnetic field dependence of the exciton-Mn coupling is consistently described in the frame of a modified Brillouin model. 2) Ferromagnet-DMS-Hybrids A local manipulation of spins in a semiconductor can be realized by a preparation of ferromagnetic structures on the surface of a semiconductor. Magnetic fringe fields, emerging from nanostructured ferromagnets (FM) are capable of bending the spin bands of a buried quantum well on a mesoscopic length scale. This is especially valid for a semimagnetic quantum well like the ZnCdMnSe/ZnSe heterostructure used in the following experiments. Due to the drastic enhancement of the exciton g factor by the coupling to the Mn spins, huge spin splittings become possible. Magnetostatic calculations performed for ferromagnetic dysprosium (Dy) wire structures show, that fringe fields in the range of 0.1 to 1 T can be achieved in a perpendicular magnetization configuration. Magneto-PL measurements with a high spatial resolution actually demonstrate an influence of nanostructured ferromagnets on the excitonic spin bands in the quantum well and even provide some information about the magnetic characteristics of the FM nanoelements. 3) Single localization centers in a InGaN/GaN quantum well The localization of charge carriers in nm-sized islands has a strong influence on the optical properties of InGaN/GaN quantum wells. A detailed analysis of these effects require a reproduceable, spectroscopic access to single localization centers. This prerequisite has been fulfilled by depositing a mask with nanoapertures on the semiconductor surface. PL spectra measured on these nanoapertures at a temperature of 4 K reveal individual, spectrally narrow emission lines with a halfwidth down to 0.8 meV. Such a single PL line can be attributed to the emission from a single localization center. The optical access to single centers has been demonstrated here for the first time. As the following experiments showed, there is a profound difference between the behavior of such single PL lines and the inhomogenous PL signal from a large ensemble of centers. This gives a clear picture of the impact of some mechanisms relevant for the PL characteristics of InGaN quantum films, that have been the subject of a controversial debate. The most influential factors are the internal piezo electric field, the bandfilling effect and the formation of multiexcitons.

The ternary spinel-type compounds CdCr2Se4, CdCr2S4, HgCr2Se4, and CuCr2Se4 with Cr as transition metal form a special group of ferromagnetic semiconductors with Curie temperatures up to 430 K. They have particular perspectives in spintronics due to the coexistence of semiconducting and ferromagnetic properties. In this work the ferromagnetic semiconductors were investigated by the hyperfine interactions of implanted nuclear probes using the PAC (perturbed angular correlations) spectroscopy. In such compounds both magnetic hyperfine fields (Bhf) and electric field gradients (efg) allow a detailed study of the behavior of probes, which can additionally represent essential doping atoms in these substances. Besides the popular 111In(111Cd), also 111mCd, 111Ag(111Cd), 77Br(77Se), 117Cd(117In), 199mHg, and 100Pd(100Rh) probes were used exploiting the unique possibilities at the ISOLDE on-line separator and implanter (CERN, Geneva, Switzerland). The main objective of these investigations was to examine the lattice site occupation and the behavior of the implanted probes. In addition, the experimental hyperfine fields were used as test quantities for modern ab initio calculations of the electronic and spin structure (WIEN97).

Techn. University, Diss., 2003--Darmstadt.

In dieser Arbeit werden magnetische Vortex-Dreifachlagen-Systeme untersucht. Mittels Magnetfeld, Strom und Röntgenzirkulardichroismus kann erstmals die magnetische Konfiguration der Vortexlagen mit dem simultan gemessenen Magnetowiderstand verglichen werden. Die senkrecht mit Strom durchflossenen Kobalt-Kupfer-Permalloy Scheiben werden in einem Mehrschrittprozess mittels Elektronenstrahllithographie auf einer Membran hergestellt, um mit Rastertransmissions-Röntgenmikroskopie untersuchbar zu sein. Die Auswertung der STXM-Bilder zeigt das gleiche Verhalten wie die Widerstandsmessungen und erlaubt eine eindeutige Zuordnung. Um auch die kleinsten scheibenförmigen Dreifachlagensysteme mittels ferromagnetischer Resonanz zu messen, wurde die Mikroresonator FMR optimiert. Damit können bereits etwa 2.3*10^7 Kobaltatome gemessen werden, wobei die Empfindlichkeit bis zu 4*10^6 Atomen ausreichend sein sollte. Durch 6-fache Mittelung lässt sich ein Kobaltwürfel mit einer Kantenlänge von 12,5nm detektieren. Dabei sind nicht nur die uniforme Mode, sondern auch lokal angeregte Moden sichtbar. Mittels mikromagnetischer Simulationen lassen sich den Resonanzen Modenbilder zuordnen. Die scheibenförmige Dreifachlage wird mit den FMR-Messungen sowohl mit verringertem Durchmesser, als auch mit reduzierter Zwischenschicht untersucht.

The ternary spinel-type compounds CdCr2Se4, CdCr2S4, HgCr2Se4, and CuCr2Se4 with Cr as transition metal form a special group of ferromagnetic semiconductors with Curie temperatures up to 430 K. They have particular perspectives in spintronics due to the coexistence of semiconducting and ferromagnetic properties. In this work the ferromagnetic semiconductors were investigated by the hyperfine interactions of implanted nuclear probes using the PAC (perturbed angular correlations) spectroscopy. In such compounds both magnetic hyperfine fields (Bhf) and electric field gradients (efg) allow a detailed study of the behavior of probes, which can additionally represent essential doping atoms in these substances. Besides the popular 111In(111Cd), also 111mCd, 111Ag(111Cd), 77Br(77Se), 117Cd(117In), 199mHg, and 100Pd(100Rh) probes were used exploiting the unique possibilities at the ISOLDE on-line separator and implanter (CERN, Geneva, Switzerland). The main objective of these investigations was to examine the lattice site occupation and the behavior of the implanted probes. In addition, the experimental hyperfine fields were used as test quantities for modern ab initio calculations of the electronic and spin structure (WIEN97).

Universiẗat, Diss., 2005--Würzburg. / Erscheinungsjahr an der Haupttitelstelle: 2004.

The present work addresses in-depth magnetic films with magnonic surface patterning of variable size. Two different kinds of such structures referred to as surface-modulated magnonic crystals were investigated: Ion-irradiated magnonic crystals and structurally etched magnonic crystals. To achieve that, two different experimental approaches were pursued. On the one hand, the magnetic moment at the surface of lithographically patterned permalloy (Ni80Fe20) films was periodically reduced by means of ion irradiation. On the other hand, structural trenches were introduced at the surface of a pre-patterned thin film by sequential ion milling. The goal is the acquisition of a fundamental understanding of the behavior of spin-wave modes in the transition from a continuous magnetic thin film to a full magnonic crystal, i.e. separated periodic magnetic structures. In the framework of this thesis, the spin-wave eigen-modes of such magnonic crystals were mainly investigated spectroscopically by means of ferromagnetic resonance. Thereby, the “Two-magnon scattering perturbation theory” and the “plane-wave method” were employed as the theoretical methodologies to understand the complex dynamics of such systems. The first is a reliable method to calculate the dynamic response of surface-modulated magnonic crystals where the modulation is of a perturbation character, i.e. small compared to the film thickness. The latter is a quasi-analytical approach to calculate the dynamic eigen-modes of magnonic crystals consisting of different components with significantly varying properties. Moreover, numerical methods were employed to get further insight into the spin dynamics of these structures. In such systems, the spin-wave behavior follows the well-known dispersion relation of flat magnetic thin films as long as the surface-modulation is small compared to the film thickness. In this work, it was shown that this circumstance can be exploited for a parameter-free determination of the exchange constant A, which is not experimentally accessible for magnetic thin films in a straightforward manner. However, once the modulation height is of significant magnitude, the dynamics of surface-modulated magnonic crystals become substantially more complex. A straightforward understanding of such kind of system is hampered by the complex interplay of different effects. On the one hand, the internal demagnetizing field reveals an alternating character and depends itself on the modulation height and the field angle. On the other hand, the dynamic eigen-modes are hybridized, i.e., they reveal different characteristics in different regions of the magnonic crystal and, in addition, they couple to each other. Here, the approach is particularly favorable to investigate the spin dynamics of surface-modulated magnonic crystals by systematically altering the modulation height of the same sample. This is mainly due to two reasons. First, the two edge cases, namely the thin film and the full magnonic crystal, are already well understood and, second, other magnetic and structural parameters remain constant. With the help of the measurement results and the simulations, the quasi-analytical theory was validated. Subsequently, the mode profiles were calculated by theory and simulation in order to analyze the mode character in the transition from a thin film to a full magnonic crystal. Two kinds of dynamic eigen-modes were identified, namely hybridized modes and localized modes. For both types, simple formulae were derived describing their characteristic dynamic behavior. Besides, transition rules were found connecting the mode number n of film modes with the mode number m of modes in the full magnonic crystal. In order to correlate the symmetry and magnitude of the demagnetizing field with the spin-wave eigen-modes, the internal fields of a strongly surface-modulated magnonic crystal were reconstructed by electron holography measurements. By reemploying the measurement results for micromagnetic simulations, the dynamics of the whole system could be reproduced. This strategy allowed for a better understanding of the link between the demagnetizing field and the spin-wave mode characteristics. Based on these results, a simplified model for the analytical description of the inplane angular dependence was found. The acquired understanding of such systems led to the elaboration of specific applications, such as the spin-wave channelization. It should be noted that the coupling of uniform to non-uniform spin-wave phenomena, which is an intrinsic property of these structures, holds out the prospect of several applications in the future.

In dieser Arbeit werden magnetische Vortex-Dreifachlagen-Systeme untersucht. Mittels Magnetfeld, Strom und Röntgenzirkulardichroismus kann erstmals die magnetische Konfiguration der Vortexlagen mit dem simultan gemessenen Magnetowiderstand verglichen werden. Die senkrecht mit Strom durchflossenen Kobalt-Kupfer-Permalloy Scheiben werden in einem Mehrschrittprozess mittels Elektronenstrahllithographie auf einer Membran hergestellt, um mit Rastertransmissions-Röntgenmikroskopie untersuchbar zu sein. Die Auswertung der STXM-Bilder zeigt das gleiche Verhalten wie die Widerstandsmessungen und erlaubt eine eindeutige Zuordnung. Um auch die kleinsten scheibenförmigen Dreifachlagensysteme mittels ferromagnetischer Resonanz zu messen, wurde die Mikroresonator FMR optimiert. Damit können bereits etwa 2.3*10^7 Kobaltatome gemessen werden, wobei die Empfindlichkeit bis zu 4*10^6 Atomen ausreichend sein sollte. Durch 6-fache Mittelung lässt sich ein Kobaltwürfel mit einer Kantenlänge von 12,5nm detektieren. Dabei sind nicht nur die uniforme Mode, sondern auch lokal angeregte Moden sichtbar. Mittels mikromagnetischer Simulationen lassen sich den Resonanzen Modenbilder zuordnen. Die scheibenförmige Dreifachlage wird mit den FMR-Messungen sowohl mit verringertem Durchmesser, als auch mit reduzierter Zwischenschicht untersucht.

In der vorliegenden Arbeit wurden die mikromagnetische Struktur sowie das Ummagnetisierungsverhalten epitaktisch gewachsener MnAs Filme auf dem Substrat GaAs untersucht. Im Mittelpunkt steht die mikromagnetischen Struktur von anisotrop erspannten MnAs Filmen auf GaAs(001). Die Verspannung führt zur selbstorganisierten Anordnung ferromagnetischer Streifen. Ihre Domänenstruktur wurde mittels MFM (magnetischer Kraftmikroskopie) bestimmt und mit den Resultaten der XMCDPEEM (X-ray magnetic circular dichroism photoemission electron microscopy) verglichen. Um eine vollständige Charakterisierung der mikromagnetischen Eigenschaften der Streifenstruktur zu erreichen, wurden die MFM Experimente in einem äusseren Magnetfeld durchgeführt. Die Beantwortung der zentralen Frage nach der Domänenstruktur ist mit der Entwicklung eines mikromagnetischen Simulators für dreidimensionale magnetische Strukturen auf mesoskopischer Skala gelungen. Die Stabilität der dreidimensionalen mikromagnetischen Struktur hängt von den Eigenschaften der selbstorganisierten Streifenstruktur ab, d.h. sowohl von der Filmdicke als auch vom Verhältnis ihrer Breite zur Filmdicke - und damit der Temperatur. Durch die Erkenntnis, dass eine magnetische Struktur in der Tiefe des Streifens vorhanden ist, können die verbleibenden Unterschiede in den XMCDPEEM- und MFM-Resultaten erklärt werden. Durch die Simulationsergebnisse in Kombination mit den Experimenten wird eine widerspruchsfreie Deutung der mikromagnetischen Struktur sowie deren Ummagnetisierungsverhalten ermöglicht. Zudem wird die mikromagnetische Struktur von MnAs auf GaAs(111) simuliert und damit das Verständnis der mikromagnetischen Strukturen auf alle vorhandenen Substratorientierungen vervollständigt. / In the present thesis the micromagnetic structure, as well as the magnetization reversal, of epitaxial MnAs films on GaAs substrates are studied. The investigation is focused on the micromagnetic structure of anisotropically strained MnAs films on GaAs(001). The strain originates a selforganized array of ferromagnetic stripes. The magnetic domains were investigated using MFM (magnetic force microscopy) and the results were compared with XMCDPEEM (X-ray magnetic circular dichroism photoemission electron microscopy). To completely characterize the micromagnetic properties of the stripe structure, MFM experiments were performed in the presence of an external field. To unambiguously determine the domain structure a three-dimensional micromagnetic simulator was developed capable to calculate magnetic structures with mesoscopic dimensions. The stability of the three-dimensional micromagnetic structure depends on the properties of the selforganized stripe structure, i.e., on the film thickness as well as on the ratio of the stipe width to thickness - and thus the temperature. Taking into account the magnetization distribution in-depth, the remaining differences between the XMCDPEEM and the MFM results can be explained by the disturbing effect of the MFM tip. The results of the micromagnetic simulations, in combination with the experimental results, allow for a determination of the micromagnetic structure in an applied field throughout the phase coexistence regime. Moreover, the micromagnetic structure of MnAs films on GaAs(111) is simulated and thus the understanding of the micromagnetic properties have been extended on all substrate orientations.

Es werden physikallische Eigenschaften von Quasikristallen anhand von quasiperiodischen Ising- und Tight-Binding-Modellen auf dem fuenfzaehligen Penrose- und achtzaehligen Amman-Beenker-Muster untersucht. Bei den Ising-Modellen wird eine graphische Hochtemperaturentwicklung der freien Energie ausgerechnet und die kritischen Parameter des ferromagnetischen Phasenueberganges abgeschaetzt. Weiterhin wird mittels eines analytischen Resultates die freie Energie auf den periodischen Approximanten quasiperiodischer Muster exakt ausgerechnet und zur Bestimmung der Verteilung komplexer (Fisher-)Nullstellen herangezogen. Letztendlich wird noch ein Ising-Modell mit einem verschiedenen, nicht-Onsager kritischen Verhalten konstruiert und untersucht. Im zweiten Kapitel werden kritische, nichtnormierbare Eigenzustaende eines quasiperiodischen Tight-Binding-Modells exakt berechnet. Es stellt sich heraus, dass die Eigenzustaende eine selbstaehnliche, fraktale Struktur aufweisen die in Details untersucht wird.