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Dissertation

Autor(en): Pranaba Kishor Muduli
Titel: Ferromagnetic thin films of Fe and Fe 3 Si on low-symmetric GaAs(113)A substrates
Gutachter: K. R. A. Ziebeck; Klaus H. Ploog; W. Ted Masselink
Erscheinungsdatum: 24.04.2006
Volltext: pdf (urn:nbn:de:kobv:11-10064724)
Fachgebiet(e): Physik
Schlagwörter (ger): Molekularstrahlepitaxie, Ferromagnetische dünne Schichten, Heusler-Legierungen, Fe, Fe_3Si, GaAs(113)A, Ferromagnet-Halbleiter Hybridstrukturen, Spintronik, Röntgenbeugung, hochindizierte Orientierung, niedrig-symmetrische Substrate, Magnetismus dünner Schichten, magnetische Anisotropie, uniaxiale magnetische Anisotropie, Bloch-Gesetz, Spin-Umorientierung, Stoner-Wolfarth-Modell, SQUID Magnetometrie, in-situ Kerr-Effekt, Magnetotransporteigenschaften, planarer Hall-Effekt, anisotroper Magnetowiderstand, Hall-Effekt zweiter Ordnung, anisymmetrische Elemente des Magnetowiderstandstensors, atomare Ordnung.
Schlagwörter (eng): molecular-beam epitaxy, Ferromagnetic thin films, Heusler alloys, Fe, Fe_3Si, GaAs(113)A, ferromagnet-semiconductor hybrid structures, spintronics, X-ray diffraction, high-index orientation, low symmetric substrates, thin-film magnetism, magnetic anisotropy, uniaxial magnetic anisotropy, Bloch’s law, spin-reorientation, Stoner-Wohlfarth model, SQUID magnetometry, in-situ Kerr effect, magnetotransport properties, planar Hall effect, anisotropic magnetoresistance, second-order Hall effect, antisymmetric magnetoresitivity tensors elements, atomic ordering.
Einrichtung: Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I
Zitationshinweis: Muduli, Pranaba Kishor: Ferromagnetic thin films of Fe and Fe 3 Si on low-symmetric GaAs(113)A substrates; Dissertation, Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I , publiziert am 24.04.2006, urn:nbn:de:kobv:11-10064724
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Abstract (ger):
In dieser Arbeit werden das Wachstum mittels Molekularstrahlepitaxie und die Eigenschaften der Ferromagneten Fe und Fe_3Si auf niedrig-symmetirschen GaAs(113)A-Substraten studiert. Drei wichtige Aspekte werden untersucht: (i) Wachstum und strukturelle Charakterisierung, (ii) magnetische Eigenschaften und (iii) Magnetotransporteigenschaften der Fe und Fe_3Si Schichten auf GaAs(113)A-Substraten. Das Wachstum der Fe- und Fe_3Si-Schichten wurde bei einer Wachstumstemperatur von = bzw. 250 °C optimiert. Bei diesen Wachstumstemperaturen zeigen die Schichten eine hohe Kristallperfektion und glatte Grenz- und Oberflächen analog zu [001]-orientierten Schichten. Weiterhin wurde die Stabilität der Fe_(3+x)Si_(1-x) Phase über einen weiten Kompositionsbereich innerhalb der Fe_3Si-Stoichiometry demonstriert. Die Abhängigkeit der magnetischen Anisotropie innerhalb der Schichtebene von der Schichtdicke weist zwei Bereiche auf: einen Beresich mit dominanter uniaxialer Anisotropie für Fe-Schichten <= 50 MLs und einen Bereich mit vierfacher Anisotropie für Fe-Schichten >= 70 MLs. Weiterhin wird eine magnetische Anisotropie senkrecht zur Schichtebene in sehr dünnen Schichten gefunden. Der Grenzflächenbeitrag sowohl der uniaxialen als auch der senkrechten Anisotropiekonstanten, die aus der Dickenabhängigkeit bestimmt wurden, sind unabhängig von der [113]-Orientierung und eine inhärente 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 uniaxiale magnetische Anisotropie betrachtet. Die magnetische Anisotropie der Fe_3Si-Schichten auf GaAs(113)A-Substraten zeigt ein komplexe Abhängigkeit von der Wachstumsbedingungen und der Komposition der Schichten. In den Magnetotransportuntersuchungen tritt sowohl in Fe(113)- als auch in Fe_3Si(113)-Schichten eine antisymmetrische Komponente (ASC) im planaren Hall-Effekt (PHE) auf. Ein phänomenologisches Modell, dass auf der Kristallsymmetrie basiert, liefert ein gute Beschreibung sowohl der ASC im PHE als auch des symmetrischen, anisotropen Magnetowiderstandes. Das Modell zeigt, dass die beobachtete ASC als Hall-Effekt zweiter Ordnung beschreiben werden kann.
Abstract (eng):
In this work, the molecular-beam epitaxial growth and properties of ferromagnets, namely Fe and Fe_3Si are studied on low-symmetric GaAs(113)A substrates. Three important aspects are investigated: (i) growth and structural characterization, (ii) magnetic properties, and (iii) magnetotransport properties of Fe and Fe_3Si films on GaAs(113)A substrates. The growth of Fe and Fe_3Si films is optimized at growth temperatures of 0 and 250 degree Celsius, respectively, where the layers exhibit high crystal quality and a smooth interface/surface similar to the [001]-oriented films. The stability of Fe_(3+x)Si_(1-x) phase over a range of composition around the Fe_3Si stoichiometry is also demonstrated. The evolution of the in-plane magnetic anisotropy with film thickness exhibits two regions: 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 magnetic anisotropy 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 origin of the UMA is attributed to anisotropic bonding between Fe and As or Ga at the interface, similarly to Fe/GaAs(001). The magnetic anisotropy in Fe_3Si on GaAs(113)A exhibits a complex dependence on the growth conditions and composition. Magnetotransport measurements of both Fe(113) and Fe_3Si(113) films shows the striking appearance of an antisymmetric component (ASC) in the planar Hall effect (PHE). A phenomenological model based on the symmetry of the crystal provides a good explanation to both the ASC in the PHE as well as the symmetric anisotropic magnetoresistance. The model shows that the observed ASC component can be ascribed to a second-order Hall effect.
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Generiert am 23.10.2014, 08:02:43