Magnetyczna spektroskopia i spektro-mikroskopia na materiałach spintronicznych

Iwona A. Kowalik 1Miguel A. Niño 2Andrea Locatelli 3Tevfik Onur Menteş 3Alberta Bonanni 4Tomasz Dietl 1,5Dimitri Arvanitis 6

1. Institute of Physics, Polish Academy of Sciences, Warsaw 02-668, Poland
2. IMDEA Nanoscience, Facultad de Ciencias Módulo C-IX, Madrid 28049, Spain
3. Sincrotrone Trieste (ELETTRA), Basovizza (Trieste) 34012, Italy
4. Institut für Halbleiter-und-Festkörperphysik, J. Kepler University, Linz 4040, Austria
5. Institute of Theoretical Physics, University of Warsaw, Warsaw 00-681, Poland
6. Department of Physics and Astronomy, Uppsala University, Uppsala 75120, Sweden

Abstract

Pomimo postępów w zakresie badań rozcieńczonych materiałów typu DMS, zrozumienie i kontrola tych materiałów wciąż jest tematem kontrowersyjnym i trudnym dla dzisiejszej inżynierii materiałowej oraz fizyki materii skondensowanej. W szczególności, zrozumienie własności magnetycznych tego typu układów na poziomie atomowym stanowi wciąż otwarty problem. Dla magnetycznie domieszkowanych azotków i tlenków niektóre grupy badawcze raportują tylko paramagnetyczne własności, tymczasem inni znajdują w nich ferromagnetyczny sygnał nawet powyżej temperatury pokojowej, dla teoretycznie takich samych materiałów. Najnowsze prace dotyczące DMS pokazały, że ograniczona rozpuszczalność metali przejściowych w półprzewodnikach prowadzi do rozkładu spinoidalnego oraz separacji faz krystalograficznych w nanoskalowych obszarach, zawierających dużą koncentrację jonów magnetycznych, zatopionych w niemagnetycznej sieci [1,2], jak na przykład FexN w GaN. Takie efekty zostały już zademonstrowane dla (Ge,Mn), (Ge,Fe), (Ga,Mn)N, (Al,Cr)N, (Ga,Cr)N oraz (Ga,Fe)N [3]. Efekt ten może wnieść zupełnie nowe możliwości zastosowań w przemyśle i technologii, ważne dla spintroniki, nanoelektroniki i fotoniki. Zatopione metaliczne i półprzewodnikowe nanokryształy już zrewolucjonizowały produkcję różnego rodzaju komercyjnych urządzeń, takich jak pamięci typu flash i niskoprądowe lasery półprzewodnikowe. Pytania dotyczące mechanizmu formowania się nanostruktur, jak również kontrola rozmiarów wytrąceń, stanowią wciąż otwarty problem. Nie wiadomo także w jakich warunkach otrzymuje się zatopione wytrącenia ferromagnetyczne, ferrimagnetyczne czy antyferromagnetyczne oraz jak kontrolować ich własności magnetyczne. Obecnie dyskutowane jest pochodzenie ferromagnetyzmu w tego typu materiałach, gdyż w większości przypadków teoria średniego pola nie tłumaczy obserwowanych własności magnetycznych. Przedstawione tu wyniki badań oparte są na zrozumieniu problemu od strony atomowego pochodzenia magneto-anizotropii krystalicznej w tego typu układach.

                Prezentujemy wyniki badań magnetycznych, wykonanych w temperaturze pokojowej dla warstw (Ga,Fe)N, otrzymane przy użyciu technik spektroskopowych czułych na dany pierwiastek oraz spin, bazujących na miękkim promieniowaniu X [4]. Badane próbki otrzymane zostały metodą metal-organicznej epitaksji z fazy gazowej MOVPE (Metal Organic Vapor Phase Epitaxy) w JKU (Linz, Austria) i scharakteryzowane wcześniej za pomocą magnetometrii SQUID, transmisyjnej mikroskopii elektronowej, rentgenowskich technik dyfrakcyjnych bazujących na promieniowaniu synchrotronowym [3,5] oraz za pomocą techniki EXAFS i XANES [6]. W celu zbadania relacji między strukturą nanokryształów i ich własnościami magnetycznymi, przeprowadzone zostały pomiary XMCD, XLMD oraz XMCD-PEEM na krawędzi L żelaza oraz XMCD na krawędzi K azotu.

                Wyniki otrzymane przy zastosowaniu rentgenowskiej fotoemisyjnej mikroskopii elektronowej (X-PEEM) w modzie absorpcyjnym (XAS), wykonane dla krawędzi L żelaza wskazują, że większość atomów Fe uformowała wytrącenia o rozmiarach 30-80 nm (lub mniejsze, poniżej zdolności rozdzielczej PEEM), ale część z nich wbudowana jest jednorodnie w sieć GaN, podstawieniowo w miejscach Ga. Obrazy otrzymane w modzie XAS potwierdzają, że atomy Fe znajdują się w różnych lokalnych otoczeniach. Przy pomocy modu XMCD-PEEM zidentyfikowane zostały magnetyczne nanokryształy bogate w żelazo. Zbadana została także struktura domenowa nanokryształów. Kontrast magnetyczny wyraźnie widoczny jest powyżej temperatury pokojowej w obszarze nanokryształów wielkości 30-40 nm. W przypadku większych nanokryształów obserwowana jest struktura domenowa typu „vortex”. Stosując spektroskopię XAS w modzie XMCD wyznaczony został spinowy i orbitalny moment magnetyczny przypadający na atom Fe. Ponieważ nie wszystkie nanokryształy w badaniach XMCD-PEEM wykazały kontrast magnetyczny, wykonane zostały także badania XLMD. Uzyskane dane pozwoliły zidentyfikować zarówno wkład ferromagnetyczny jak i antyferromagnetyczny - pochodzące od róznych faz nanokryształów. Prezentowane wyniki ilustrują komplementarność rozdzielczych przestrzennie badań X-PEEM i XMCD-PEEM z pomiarami XAS i XMCD bez przestrzennej rozdzielczości.

[1] T.Dietl, J. Phys. Cond. Mat. 19, 165204 (2007)

[2] H.Katayama-Yoshida et al., Phys. Status Solidi (a) 204, 15 (2007)

[3] A. Bonanni et al., Phys. Rev. B 75, 125210 (2007); Phys. Rev. Lett. 101, 135502  (2008).  

[4] I. Kowalik et al., Phys. Rev. B, in press [arXiv: 1011.0847].

[5] A. Navarro-Quezada et al., Phys. Rev. B 81, 205206 (2010).

[6] M. Rovezzi et al., Phys. Rev. B 79, 195209 (2009).

 

Related papers
  1. On the formation of magnetic nanocomposites and impurity complexes in GaN doped with Fe and Mn
  2. Critical exponents of dilute ferromagnetic semiconductors (Ga,Mn)N and (Ga,Mn)As
  3. Growth and doping of (Ga,Mn)N epitaxial films
  4. Growing semiconductor nitrides into spintronic and magnetooptic materials
  5. The aggregation of magnetic cations in a semiconductor
  6. ZnO thin films for organic/inorganic heterojunctions
  7. Semiconductor spintronics
  8. Gd atoms on Si (111) surface – AFM and photoemission study
  9. Semiconductor spintronics
  10. Electronic structure of Mn atoms in (Ga,Mn)As layers modified by high temperature annealing
  11. Mn 3d electrons in the valence band of Mn/Ge0.9Mn0.1Te- a resonant photoemission study
  12. Wide band-gap II-VI semiconductors for optoelectronic applications
  13. On the spin reorientation of Co/Au based magnetic nano-dot arrays.
  14. Domain wall spin structures and their interaction with spin-polarized currents
  15. Spin structures in micro-patterned highly spin-polarized materials
  16. Effect of annealing on electrical properties of low temperature ZnO films
  17. Origin of ferromagnetism and phase separations in diluted magnetic semiconductors
  18. Origin of ferromagnetism and phase separations in diluted magnetic semiconductors
  19. Origin of ferromagnetism and phase separations in diluted magnetic semiconductors
  20. Growth, Fe incorporation, and properties of GaN:Fe and (Ga,Fe)N:Mg
  21. Photoluminescence and Hall studies of GaN:Fe and (Ga,Fe)N:Mg layers
  22. GaN(0001) surface Fe atoms doped
  23. Wide band gap semiconductors as spintronic and ferromagnetic materials
  24. Interaction of Mn and Ti atoms with GaN surface - a resonant photoemission study
  25. The transition to perpendicular magnetization in an ultrathin Co film studied by XMCD and SXRR based magnetometry
  26. Gallium nitride surface formation and modification by Mn deposition - photoemission studies with use of synchrotron radiation
  27. Mn doped ZnTe (110) (1x1) surface in Resonant Photoemission study
  28. Differential Reflectivity and Photoemission study of ZnTe and CdTe(110) surface

Presentation: Invited oral at IX Krajowe Sympozjum Użytkowników Promieniowania Synchrotronowego, by Iwona A. Kowalik
See On-line Journal of IX Krajowe Sympozjum Użytkowników Promieniowania Synchrotronowego

Submitted: 2011-05-30 11:50
Revised:   2011-05-30 11:50