Ferromagnetic thin films of Fe and Fe_1tn3Si on low symmetric GaAs(113)A substrates [Elektronische Ressource] / von Pranaba Kishor Muduli

Muduli Pranaba Kishor

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• Publié par: humboldt-universitat_zu_berlin
• Publié le: 01 janvier 2005
• Nombre de lectures: 21
• Langue: Deutsch
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Extrait

Ferromagnetic thin films of Fe and Fe Si on3
low-symmetric GaAs(113)A substrates
DISSERTATION
zur Erlangung des akademischen Grades
doctor rerum naturalium
(Dr. rer. nat.)
im Fach Physik
eingereicht an der
Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät I
Humboldt-Universität zu Berlin
von
Herr M.Tech. M.Sc. Pranaba Kishor Muduli
geboren am 01.11.1978 in Jagatsigpur, Indien
Präsident der Humboldt-Universität zu Berlin:
Prof. Dr. Hans Jürgen Prömel (in Vertretung)
Dekan der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät I:
Prof. Thomas Buckhout, PhD
Gutachter:
1. Prof. Dr. Klaus H. Ploog
2. Prof. Dr. K. R. A. Ziebeck
3. Prof. Dr. W. Ted Masselink
eingereicht am: 29. September 2005
Tag der mündlichen Prüfung: 15. Dezember 2005Zusammenfassung
In dieser Arbeit werden das Wachstum und die Eigenschaften von dünnen ferromagnetischen Fil-
men auf niedrig-symmetrischen GaAs(113)A- Substraten studiert. Die zwei in dieser Arbeit untersuchten
ferromagnetischen Metalle, Fe und Fe Si, besitzen eine kubische Kristallstruktur und haben eine enge3
Gitteranpassung an das GaAs-Substrat. Dadurch ist es möglich, die [113]- Orientierung mittels Moleku-
larstrahlepitaxie (MBE) auf GaAs(113)A- Substraten zu stabilisieren. Diese Dissertation behandelt drei
wichtige Aspekte: (i) Wachstum und strukturelle Charakterisierung, (ii) magnetische Eigenschaften und
(iii) Magnetotransporteigenschaften der Fe und Fe Si Filme auf GaAs(113)A-Substraten.3
◦Das Wachstum der Fe- und Fe Si-Filme wurde bei einer Wachstumstemperatur von 0 bzw. 250 C3
optimiert. Bei diesen Wachstumstemperaturen zeigen die Schichten eine hohe Kristall- und Grenzflä-
chenperfektion. Die strukturellen Eigenschaften der Fe(113)- und Fe Si(113)-Filme sind vergleichbar mit3
denen, die bei [001]-orientierten Filmen erreicht werden. Weiterhin wird die Stabilität der Fe Si -3+x 1−x
Phase über einen weiten Kompositionsbereich innerhalb der Fe Si-Stöchiometrie demonstriert.3
Die Beschreibung der magnetischen Eigenschaften der Fe- und Fe Si-Filme konzentriert sich auf die3
magnetischeAnisotropiealsFunktionvondreiverschiedenenParametern:derSchichtdicke(fürFe-Filme),
der Wachstumsbedingungen und der Komposition (für Fe Si-Filme). Die Abhängigkeit der magnetischen3
Anisotropie innerhalb der Schichtebene von der Schichtdicke weist zwei Bereiche auf: einen Bereich mit
dominanter uniaxialer magnetischer Anisotropie (UMA) für Fe-Filme≤ 50 MLs und einenh mit
vierfacher magnetischer Anisotropie für Fe-Filme ≥ 70 MLs. Weiterhin wird eine magnetische Aniso-
tropie senkrecht zur Schichtebene in sehr dünnen Filmen gefunden. Der Grenzflächenbeitrag sowohl der
uniaxialen als auch der senkrechten Anisotropiekonstanten, die aus der Dickenabhängigkeit bestimmt
wurden, sind unabhängig von der [113]-Orientierung und somit eine inherente Eigenschaft der Fe/GaAs-
Grenzfläche. Die anisotrope Bindungskonfiguration zwischen den Fe und den As oder Ga Atomen an
der Grenzfläche wird als Ursache für die UMA betrachtet. Die magnetische Anisotropie der Fe Si-Filme3
auf GaAs(113)A-Substraten zeigt eine komplexe Abhängigkeit von den Wachstumsbedingungen und der
Komposition der Filme. Dabei tritt eine zusätzliche UMA unter bestimmtem Bedingungen auf. Die Ani-
sotropiekonstante der vierfachen magnetischen Anisotropie verringert sich mit steigenden Si-Gehalt, was
aufgrund der reduzierten Symmetrie in der Umgebung der Fe-Atome beim Einbau von Si erwartet wird.
In den Magnetotransportuntersuchungen tritt sowohl in Fe(113)- als auch in Fe Si(113)-Filmen eine3
antisymmetrischen Komponente (ASC) im planaren Hall-Effekt auf, die innerhalb eines phänomenologi-
schen Modells, das auf der Symmetrie des Kristalls basiert, verstanden werden kann. Das Modell zeigt,
das dieser Effekt als Hall-Effekt zweiter Ordnung beschrieben werden kann. Reine Fe-Schichten und stö-
chiometrische Fe Si-Filme zeigen dasselbe Vorzeichen der ASC. Die Erhöhung der atomaren Ordnung in3
stöchiometrischen Fe Si-Filmen, die die D0 Kristallstruktur widerspiegelt, wird als mögliche Ursache für3 3
dieselben Vorzeichen in der ASC vorgeschlagen. Die Temperatur-abhängigkeit der ASC zeigt weiterhin
einen Vorzeichenwechsel für leicht nichtstöchiometrische (0.05≤ x≤0.15) Fe Si Filme unterhalb3+x 1−x
einer bestimmten kritischen Temperatur, die mit Erhöhung des Si-Gehalts ansteigt.
Schlagwörter:
Ferromagnethalbleiter-Mischlingstrukturen, Hochindexlagebestimmung, Planarer Hall effekt,
Antisymmetric magnetoresitivity spannerAbstract
In this work, the growth and properties of ferromagnetic thin films are studied on low-symmetric
GaAs(113)A substrates. The two ferromagnetic metals studied in this work, namely Fe and Fe Si have3
cubic crystal structure and exhibit a close lattice match with GaAs. This allows to stabilize the [113]-
orientation of the films on GaAs(113)A by using molecular-beam epitaxy (MBE). This dissertation deals
with three important aspects: (i) growth and structural characterization, (ii) magnetic properties, and
(iii) magnetotransport properties of Fe and Fe Si films on GaAs(113)A substrates.3
◦Using MBE, the growth of Fe and Fe Si films is optimized at growth temperatures of 0 and 250 C,3
respectively, where the layers exhibit high crystal quality and a smooth interface/surface. The structural
properties of the Fe(113) and Fe Si(113) films are shown to be comparable to the [001]-oriented films.3
The stability of Fe Si phase over a range of composition around the Fe Si stoichiometry is also3+x 1−x 3
demonstrated.
The magnetic properties of Fe and Fe Si films are mainly focused on the magnetic anisotropy as a3
function of three different parameters: thickness (for Fe films), growth conditions, and composition (for
Fe Si films). The evolution of the in-plane magnetic anisotropy with film thickness exhibits two regions:3
a uniaxial magnetic anisotropy (UMA) for Fe film thicknesses≤ 50 MLs, and a four-fold magnetic
anisotropy for Fe film thicknesses≥ 70 MLs. The existence of an out-of-plane perpendicular magneticopy is also detected in ultrathin Fe films. The interfacial contribution of both the uniaxial and
the perpendicular anisotropy constants derived from the thickness-dependent study are found to be
independent of the [113] orientation and are hence an inherent property of the Fe/GaAs interface. The
originoftheUMAisattributedtoanisotropicbondingbetweenFeandAsorGaattheinterface,similarly
to Fe/GaAs(001). The magnetic anisotropy in Fe Si on GaAs(113)A exhibits a complex dependence on3
the growth conditions and composition, with an additional UMA appearing under certain conditions.
The four-fold magnetic anisotropy constant is found to decrease with Si content as expected due to the
reduced symmetry environment of Fe atoms upon adding Si.
Magnetotransport measurements of both Fe(113) and Fe Si(113) films shows the striking appear-3
ance of an antisymmetric component (ASC) in the planar Hall effect, which can be understood from a
phenomenological model based on the symmetry of the crystal. The model shows that the effect can
be ascribed to a second-order Hall effect. Pure Fe films and nearly stoichiometric Fe Si films exhibit3
an identical sign of the ASC. The improvement of the atomic ordering in stoichiometric Fe Si samples,3
which establishes the D0 crystal structure, is proposed as a possible origin of the same sign of the3
ASC. The temperature dependence of the ASC also shows a sign reversal for slightly off-stoichiometric
(0.05≤ x≤0.15) Fe Si films below a certain critical temperature that increases with increasing Si3+x 1−x
content.
Keywords:
Ferromagnet-semiconductor hybrid structures, High-index orientation, Planar Hall effect,
Antisymmetric magnetoresitivity tensorsParts of this work have already been published:
J. Herfort, H.-P. Schönherr, P. K. Muduli, and K. H. Ploog, Magnetic anisotropy of
ultrathin epitaxial Fe films grown on As terminated GaAs(001)−2×1 substrates, in Inter-
nationalSymposiumonCompoundSemiconductors: Post-ConferenceProceedings,edited
by M. R. Melloch and C. Tu„ pages 96, 101, IEEE, Piscataway, 2004.
P. K. Muduli, J. Herfort, H.-P. Schönherr, and K. H. Ploog, Evolution of magnetic -
anisotropy and spin-reorientation transition in Fe films grown on GaAs(113)A substrates
by molecular-beam epitaxy, J. Appl. Phys. 97, 123904 (2005) (7 pages).
P. K. Muduli, J. Herfort, L. Däweritz, H.-P. Schönherr„ and K. H. Ploog, Magnetic
anisotropy of Fe films on GaAs(113)A substrates, Appl. Phys. A 81, 901 (2005) (Rapid
Communications) (6 pages).
P. K. Muduli, K.-J. Friedland, J. Herfort, H.-P. Schönherr, and K. H. Ploog, Antisymmet-
ric contribution to the planar Hall effect of Fe Si films grown on GaAs(113)A substrates,3
Phys. Rev. B 72, 104430 (2005) (9 pages).
K.-J. Friedland, J. Herfort, P. K. Muduli, H.-P. Schönherr, and K. H. Ploog, Planar Hall
effect in epitaxial Fe layers on GaAs(001) and GaAs(113)A substrates, J. Supercond. 18,
309 (2005).
P.K.Muduli,J.Herfort,H.-P.Schönherr,andK.H.Ploog,Epitaxial Fe Si films stabilized3
on GaAs(113)A substrates, J. Cryst. Growth, 285, 508 (2005) (7 pages).
Conference contributions:
K.-J. Friedland, P. K. Muduli, J. Herfort, H.-P. Schönherr, and K. H. Ploog, Planar Hall
effect in epitaxial Fe layers on GaAs(001) and GaAs