The discovery of the Giant Magneto Resistance (GMR) effect in 1988 by Albert Fert [Baib 88] and Peter Grünberg [Bina 89] led to a rapid development of the field of spintronics and progress in the information technology. Semiconductor based spintronics, which appeared later, offered a possibility to combine storage and processing in a single monolithic device. A direct result is reduced heat dissipation. The observation of the spin Seebeck effect by Ushida [Uchi 08] in 2008 launched an increased interest and encouraged research in the field of spin caloritronics. Spintronics is about the coupling of charge and spin transport. Spin caloritronics studies the interaction between heat and spin currents. In contrast to spintronics and its variety of applications, a particular spin-caloritronic device has not yet been demonstrated. However, many of the novel phenomena in spin caloritronics can be detected in most spintronic devices. Moreover, thermoelectric effects might have a significant influence on spintronic device operation. This will be of particular interest for this work. Additional knowledge on the principle of coupling between heat and spin currents uncovers an alternative way to control heat dissipation and promises new device functionalities.
This thesis aims to further extend the knowledge on thermoelectrics in materials with strong spin-orbit coupling, in this case the prototypical ferromagnetic semiconductor (Ga,Mn)As. The study is focused on the thermoelectric / thermomagnetic effects at the interface between a normal metal and the ferromagnetic (Ga,Mn)As. In such systems, the different interfaces provide a condition for minimal phonon drag contribution to the thermal effects. This suggests that only band contributions (a diffusion transport regime) to these effects will be measured.
Chapter 2 begins with an introduction on the properties of the studied material system, and basics on thermoelectrics and spin caloritronics. The characteristic anisotropies of the (Ga,Mn)As density of states (DOS) and the corresponding magnetic properties are described. The DOS and magnetic anisotropies have an impact on the transport prop- erties of the material and that results in effects like tunneling anisotropic magnetores- istance (TAMR) [Goul 04]. Some of these effects will be used later as a reference to the results from thermoelectric / thermomagnetic measurements. The Fingerprint tech- nique [Papp 07a] is also described. The method gives an opportunity to easily study the anisotropies of materials in different device geometries.
Chapter 3 continues with the experimental observation of the diffusion thermopower of (Ga,Mn)As / Si-doped GaAs tunnel junction. A device geometry for measuring the diffusion thermopower is proposed. It consists of a Si - doped GaAs heating channel with a Low Temperature (LT) GaAs / (Ga,Mn)As contact (junction) in the middle of the channel. A single Ti / Au contact is fabricated on the top of the junction. For transport characterization, the device is immersed in liquid He. A heating current technique is used to create a temperature difference by local heating of the electron system on the Si:GaAs side. An AC current at low frequency is sent through the channel and it heats the electron population in it, while the junction remains at liquid He temperature (experimentally con- firmed). A temperature difference arises between the heating channel and the (Ga,Mn)As contact. As a result, a thermal (Seebeck) voltage develops across the junction, which we call tunnelling anisotropic magneto thermopower (TAMT), similar to TAMR. TAMT is detected by means of a standard lock-in technique at double the heating current frequency (at 2f ). The Seebeck voltage is found to be linear with the temperature difference. That dependence suggests a diffusion transport regime. Lattice (phonon drag) contribution to the thermovoltage, which is usually highly nonlinear with temperature, is not observed.
The value of the Seebeck coefficient of the junction at 4.2 K is estimated to be 0.5 µV/K.
It is about three orders of magnitude smaller than the previously reported one [Pu 06]. Subsequently, the thermal voltage is studied in external magnetic fields. It is found that the thermopower is anisotropic with the magnetization direction. The anisotropy is explained with the anisotropies of the (Ga,Mn)As contact. Further, switching events are detected in the thermopower when the magnetic field is swept from negative to positive fields. The switchings remind of a spin valve signal and is similar to the results from previous experiments on spin injection using a (Ga,Mn)As contacts in a non-local detection scheme. That shows the importance of the thermoelectric effects and their possible contribution to the spin injection measurements. A polar plot of the collected switching fields for different magnetization angles reveals a biaxial anisotropy and resembles earlier TAMR measurements of (Ga,Mn)As tunnel junction. A simple cartoon model is introduced to describe and estimate the expected thermopower of the studied junction. The model yields a Fermi level inside of the (Ga,Mn)As valence band. Moreover, the model is found to be in good agreement with the experimental results.
The Nernst effect of a (Ga,Mn)As / GaAs tunnel junction is studied in Chapter 4. A modified device geometry is introduced for this purpose. Instead of a single contact on the top of the square junction, four small contacts are fabricated to detect the Nernst signal. A temperature difference is maintained by means of a heating current technique described in Chapter 3. A magnetic field is applied parallel to the device plane. A voltage drop across two opposite contacts is detected at 2f. It appears that a simple cosine function with a parameter the angle between the magnetization and the [100] crystal direction in the (Ga,Mn)As layer manages to describe this signal which is attributed to the anomalous Nernst effect (ANE) of the ferromagnetic contact. Its symmetry is different than the Seebeck effect of the junction. For the temperature range of the thermopower measurements the ANE coefficient has a linear dependence on the temperature difference (∆T). For higher ∆T, a nonlinear dependence is observed for the coefficient. The ANE coefficient is found to be several orders of magnitude smaller than any Nernst coefficient in the literature. Both the temperature difference and the size of the ANE coefficient require further studies and analysis. Switching events are present in the measured Nernst signal when the magnetic field is swept from positive to negative values. These switchings are related to the switching fields in the ferromagnetic (Ga,Mn)As. Usually, there are two states which are present in TAMR or AMR measurements - low and high resistance. Instead of that, the Nernst signal appears to have three states - high, middle and low thermomagnetic voltage. That behaviour is governed not only by the magnetization, but also by the characteristic of the Nernst geometry.
Chapter 5 summarizes the main observations of this thesis and contains ideas for future work and experiments. / Die Entdeckung des Riesenmagnetowiderstands (GMR)-Effekts im Jahr 1988 von Albert Fert [Baib 88] und Peter Grünberg [Bina 89] führte zu einer raschen Entwicklung auf dem Gebiet der Spintronik und damit zu Fortschritten in der Informations-Technologie. Der darauf aufbauende Bereich der halbleiterbasierten Spintronik bietet darüber hinaus Möglichkeiten Speicherung und Datenverarbeitung in einem einzigen monolithischen Bauteil zu kombinieren. Eine direkte Folge davon ist eine reduzierte Wärmeableitung. Die Beobachtung des Spin-Seebeck-Effekts von Uchida [Uchi 08] im Jahr 2008 brachte ein erhöhtes Interesse hervor und führte zur Forschung im Bereich der Spin-Caloritronics. Während in der Spintronik die Kopplung von Ladungs-und Spintransport untersucht wird, liegt der Fokus der Spin-Caloritronics auf der Wechselwirkungen zwischen Wärme-und Spinstr¨omen. Im Unterschied zur Spintronik mit ihrer Vielzahl von Anwendungen wurde ein reines Spin-Caloritronics Bauteil noch nicht realiziert. Doch viele der neuen Phänomene in der Spin-Caloritronics können in den meisten Spintronik-Bauteilen auftreten. Darüber hinaus könnten thermoelektrische Effekte einen wesentlichen Einfluss auf den Betrieb der Spintronik-Bauteile haben. Dieser Punkt wird von besonderem Interesse für diese Arbeit sein. Tieferes Verständnis der Prinzipien der Kopplung zwischen Wärme- und Spinströmen kann einen alternativen Weg aufzeigen um die Wärmeableitung zu kontrollieren und verspricht neue Funktionalitäten.
Diese Dissertation zielt darauf ab die Kenntnisse über die Thermoelektrik in Materialien mit starker Spin-Bahn-Wechselwirkung zu erweitern, in diesem Fall der prototypische ferromagnetische Halbleiter (Ga,Mn)As. Die Untersuchungen konzentrieren sich auf die thermoelektrischen und -magnetischen Effekte an der Grenzfläche zwischen einem normalen Metall und dem ferromagnetischen (Ga,Mn)As. In solchen Systemen führen die unterschiedlichen Grenzflächen zu einem minimalen Beitrag des Phonon-Drags zu den thermischen Effekten. Dies legt nahe, dass nur Bandbeiträge (ein Diffusionstransport- Regime) auf diese Effekte gemessen werden.
Kapitel 2 beginnt mit einer Einführung über die Eigenschaften der untersuchten Materialsysteme, Grundlagen der Thermoelektrik und Spin-Caloritronics. Die charakteristischen Anisotropien der Zustandsdichte (DOS) von (Ga,Mn)As und die dadurch entstehenden magnetischen Eigenschaften werden beschrieben. Die DOS und die magnetische Anisotropie haben einen Einfluss auf die Transporteigenschaften des Materials und führen zu Effekten wie dem anisotropen Tunnelmagnetowiderstand (TAMR) [Goul 04]. Einige dieser Effekte werden im Weiteren als eine Referenz für die Ergebnisse der thermoelektrischen und magnetischen Messungen verwendet. Die Anisotropie- Fingerprintabduck-Technik [Papp 07a] wird ebenfalls beschrieben. Die Methode bietet die Möglichkeit, die Material-Anisotropien in verschiedenen Geometrien einfach zu unter- suchen.
Kapitel 3 schließt sich mit der experimentellen Beobachtung der Diffusions - Thermospannung an einer (Ga,Mn)As / Si-dotierten GaAs-Tunnelübergang an. Eine Bauteilgeometrie zur Messung der Diffusions-Thermospannung wird vorgeschlagen. Sie besteht aus einem Si-dotierten GaAs-Heiz-Kanal mit einem GaAs/(Ga,Mn)As-Kontakt in der Mitte des Kanals. Ein einzelner Ti/Au-Kontakt wird an der Oberseite des Übergangs aufgebracht. Die Charakterisierung der Probe erfolgt bei 4.2 K. Ein Wechselstrom mit niedriger Frequenz wird durch den Kanal gesendet und erhöht dadurch dessen Temperatur, während der (Ga,Mn)As-Kontakt bei konstanter Temperatur im Helium-Bad bleibt. Aufgrund der Temperaturdifferenz zwischen dem Heizungskanal und dem (Ga,Mn)As- Kontakt entsteht eine thermische (Seebeck-)Spannung, die wir als anisotrope Tunnelmagnetothermospannung bezeichnen (TAMT), ähnlich dem TAMR. TAMT wird mittels Lock-In-Technik bei der doppelten Frequenz des Heizstroms detektiert. Die Seebeck- Spannung wächst dabei linear mit der Temperaturdifferenz an, was auf das Vorliegen eines reinen Diffusionstransport-Regimes hinweist. Ein Beitrag des Gitters (Phonon-Drag) zur Thermospannung, der in der Regel stark nichtlinear von der Temperatur abhängt, wird
nicht beobachtet. Der Wert des Seebeck-Koeffizienten des Übergangs bei 4.2 K wird auf
0.5 µV/K abgeschätzt. Das ist ein um drei Größenordnungen kleinerer Betrag als zuvor
von [Pu 06] berichtet. Anschließend wird die thermische Spannung unter Einfluss eines
äußeren Magnetfelds untersucht. Es zeigt sich, dass die Thermospannung eine Anisotropie mit der Magnetisierungsrichtung aufweist. Diese Anisotropie wird mit den bekannten Eigenschaften des (Ga,Mn)As-Kontakts erläutert. Ferner werden Schaltvorgänge in der Thermospannung detektiert, wenn das Magnetfeld von negativen zu positiven Werten geändert wird. Die Schaltvorgänge erinnern an die Signale eines Spin-Ventils. Dieses Verhalten ist vergleichbar mit den Ergebnissen aus früheren Experimenten an Spininjektion mithilfe eines (Ga,Mn)As-Kontakts in nicht-lokaler Messgeometrie. Dies betont die Bedeutung der thermoelektrischen Effekte und deren mögliche Auswirkungen auf die Spininjektions-Messungen. Ein Polardiagramm der gesammelten Schaltfelder für verschiedene Magnetisierungswinkel zeigt eine zweiachsige Anisotropie und ähnelt früheren TAMR-Messungen an (Ga,Mn)As-Tunnelbarrieren. Ein einfaches Modell wird zur Beschreibung und Abschätzung der erwarteten Thermospannung am untersuchten Übergang
eingeführt. Eine gute Übereinstimmung des Modells mit den experimentellen Ergebnissen ist evident.
Der Nernst-Effekt an einem (Ga,Mn)As/GaAs-Kontakt wird im vierten Kapitel untersucht. Hierfür wird eine Modifizierung der Proben-Geometrie vorgenommen. Anstelle des einzelnen Kontakts oberhalb der Übergangsregion werden vier kleine Kontakte hergestellt. Die Temperaturdifferenz wird wiederum mittels Heizkanal gewährleistet. Das Magnetfeld ist parallel zur Probenoberfläche orientiert. Zwischen sich gegenüberliegenden Kontakten wird eine Spannungsdifferenz bei 2f detektiert. Es stellt sich heraus, dass eine Kosinus- Funktion, mit dem Winkel zwischen der Magnetisierung und der [100]-Kristallrichtung der (Ga,Mn)As Schicht als Parameter, das gemessene Signal gut beschreibt. Dieses wird auf den anormalen Nernst-Effekt (ANE) des ferromagnetischen Kontakts zurückgeführt. Die Symmetrie des ANE unterscheidet sich von der des Seebeck- Effekts des Übergangs. Im Temperaturintervall, in dem die Thermo-Spannung untersucht wurde, zeigt auch der
ANE-Koeffizient lineares Verhalten mit der Temperaturdifferenz (∆T). Für größere ∆T jedoch zeigt sich eine nichtlineare Abhängigkeit. Der ermittelte ANE Koeffizient ist um mehrere Größenordnungen kleiner als jeder andere veröffentlichte Wert. Sowohl die Temperaturabhängikeit als auch die Größe des ANE bedürfen weiterer Untersuchungen. Wird das Feld von positiven zu negativen Werten gefahren, zeigen sich Schaltvorgänge im Nernst Signal. Diese Schaltvorgänge stehen im Zusammenhang mit den Schaltfeldern des ferromagnetischen (Ga,Mn)As. Normalerweise existieren bei TAMR oder AMR Messungen zwei Zustände, einer mit geringem und einer mit hohem Widerstand. Das gemessene Nernst Signal dagegen zeigt drei Zustände - hohe, mittlere und geringe Thermomagnetische Spannung. Dieses Verhalten ist nicht nur von der Magnetisierung, sondern auch von der Charakteristik der Nernst-Geometrie beeinflusst.
Kapitel 5 fasst die wichtigsten Erkenntnisse dieser Arbeit zusammen und gibt einen Ausblick auf zukünftige Arbeiten und Experimente.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:10198 |
| Date | January 2014 |
| Creators | Naydenova, Tsvetelina |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/de/deed.de, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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