pdf, 1.9 Mb - Walther Meißner Institut

3.1 Der verdünnte ferromagnetische Halbleiter (Ga,Mn)Asentsteht. Mit einer Elektronenkonfiguration von 3d 5 4s 2 besitzt Mn im Vergleich zu Ga(3d 10 4s 2 4p 1 ) ein 4p-Elektron weniger. Besetzt nun ein Mn-Atom durch die Dotierungeinen Gitterplatz von Ga, wird ein zusätzliches Elektron aus dem Valenzband vonMangan dazu benötigt, um die Edelgaskonfigurationen der Nachbaratome aufrecht zuerhalten. Somit wirkt Mangan zusätzlich als Akzeptor.Zudem ist es möglich, dass Mn 2+ -Ionen Zwischengitterplätze einnehmen [56, 57]. Amstabilsten ist dabei die in Abb. 3.1(b) gezeigte Konfiguration, in der das Mn-Ion imZentrum eines Tetraeders aus vier Galliumionen zu finden ist. In diesem Fall wirken dieMn-Ionen als doppelte Donatoren, da sie zweifach ionisiert sind. Durch das Auftretender Mn-Ionen auf Zwischengitterplätzen wird so die p-Leitfähigkeit von (Ga,Mn)Aseffektiv reduziert, ein zu großer Anteil an Zwischengitter-Mn kann somit den Ferromagnetismusvon (Ga,Mn)As aufheben.Wie beim Vergleich der Elektronenkonfigurationen der beteiligten Elemente bereitsbeschrieben, ist die 3d-Schale von Mangan im Gegensatz zu Gallium und Arsen nurzur Hälfte gefüllt. Daraus resultiert nach den Hundtschen Regeln ein maximales magnetischesMoment von 5µ 2 B. Da die 3d-Schale nicht an der Ausbildung elektronischerBindungen im MnAs beteiligt ist, verschwindet dieses magnetische Moment auch beider Besetzung von Ga-Gitterplätzen nicht. Da Ga 1−x Mn x As gewöhnlich mit geringenDotierungen x ≤ 10% hergestellt wird, ist der mittlere Abstand zwischen zwei benachbartenMn-Atomen so groß, dass diese nicht über eine direkte Austauschwechselwirkungkoppeln können. Somit tritt eine ferromagnetische Kopplung nur durch eine indirekteAustauschwechselwirkung über freie Ladungsträger (Löcher) auf. Da Mn-Atome aufGa-Gitterplätzen selbst als Akzeptoren wirken, sind die freien Ladungsträger, die zurKopplung benötigt werden, in (Ga,Mn)As durch die Mn-Dotierung ebenfalls vorhanden[33].Allerdings wird der Ferromagnetismus von (Ga,Mn)As negativ von Mn-Atomen aufZwischengitterplätzen beeinflusst, da diese nicht als Akzeptoren, sondern als zweifacheDonatoren wirken. Zusätzlich koppeln die Zwischengitter-Mn-Atome untereinanderantiferromagnetisch, wodurch dass effektive magnetische Moment der Dotieratomereduziert wird. Folglich muss bei der Herstellung von ferromagnetischem (Ga,Mn)Asdarauf geachtet werden, den Anteil der Zwischengitter-Mn möglichst gering zu halten[33]. Weitere Informationen zur Herstellung dünner ferromagnetischer Filme mittels31