As and Epitaxial-Growth MnSi Thin Films - OPUS Würzburg

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ii Contents 5.3 Skyrmions, Chirality and Magnetotransport in MnSi . . . . . . . . . . . . 62 5.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 6 Epitaxial Growth of MnSi Thin Films 69 6.1 Epitaxial growth of MnSi Thin Films . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 6.2 Material Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 6.2.1 Structural Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 6.2.2 Magnetic Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 6.3 Device Fabrication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 6.4 Temperature-dependent measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 6.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 7 Magnetotransport with H ‖ [111] 81 7.1 Hall Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 7.1.1 Minor Loop Magnetization Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 7.1.2 Temperature-dependent measurements . . . . . . . . . . . . . . . . 94 7.2 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 8 Magnetotransport with In-Plane Applied Fields 101 8.1 Magnetotransport Measurements in MnSi epitaxial thin films . . . . . . . . 101 8.1.1 Saturation Magnetization Measurements . . . . . . . . . . . . . . . 101 8.1.2 Longitudinal Magnetoresistance Measurements . . . . . . . . . . . . 105 8.1.3 Planar Hall Effect Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 8.2 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 9 Conclusions & Outlook 117 A Fabrication of Four-Terminal Corbino Gated Structure 119 A.1 Fabrication Details . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 A.2 Optimized final process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 B Epitaxial lift-off technique 125 Bibliography 141
Zusammenfassung Um einerseits ein fundamentales Verständnis magnetischer Wechselwirkungen zu erhalten und andererseits neue Effekte für zukünftige Anwendungen zu finden, ist es entscheidend, magnetische Phasen spintronischer Materialien zu untersuchen. In dieser Arbeit fokussieren wir uns auf grundlegende elektrische und magnetische Transporteigenschaften zweierMaterialsysteme. DassindzumErstenultradünne(Ga,Mn)AsFilmemitparabolischen Dotierprofilen, und zum Zweiten epitaktisch gewachsene Dünnschichten aus MnSi, einem helimagnetischen Metall, dessen Entwicklung seit Kurzem in unserer Gruppe vorangetrieben wird. In dem ersten Teil dieser Arbeit konzentrieren wir uns auf die magnetischen Anisotropien in ultradünnem (Ga,Mn)As mit neuartigem parabolischen Dotierprofil unter Einfluss eines von Außen angelegten elektrisches Feldes. Ziel ist es, die magnetischen Eigenschaften während des Metall-Isolator Übergangs zu untersuchen. Dieser wird durch eine Ladungsträgerverarmung hervorgerufen, die wiederum durch das elektrische Feld gesteuert werden kann. Um ein grundlegendes Verständnis für den ferromagnetischen Halbleiter (Ga,Mn)As zu erhalten, betrachten wir seine strukturellen und magnetischen Eigenschaften (z.B. magnetische Anisotropien). Das ultradünne Wachstum resultiert letztlich in einer magnetokristallinen Anisotropie. Weiterhin geben wir auch einen Einblick indieTransporteigenschaften von(Ga,Mn)AswährenddesMetall-IsolatorÜbergangsund einen kurzen Überblick über Leitwertfluktuationen in diesem Materialsystem aus früheren Arbeiten. Um eine Ladungsträgerverarmung zu erreichen, ist es notwendig die ultradünnen (Ga,Mn)As Schichten zu gaten. Hierfür verwenden wir eine Halbleiter p-nTunnelbarriere. [Owen 09] Die verwendeten Proben bestehen aus einer makroskopischen Hall Struktur, sowie aus einer Corbino Struktur für Vierleitermessung, und sind jeweils mit einem DC- Back Gate ausgestattet. Die Magnetowiderstandsmessungen an der Hall Struktur wiesen verstärkt Beiträge der harten uniaxialen Achsen auf. Dies deutet darauf hin, dass die Probe nahe am Hopping-Regime und somit nahe an dem Metall-Isolator Übergang ist. [Rush 06, Jung 06] Wir beobachten eine monotone Veränderung der uniaxialen Beiträge, dieaufeineverringerteAsymmetriezwischendenuniaxialenhartenAchsenzurückzuführen ist. Außerdem fällt auch das Hall-Signal mit steigender Gate-Spannung ab. Auch dieses Verhalten ist konsistent mit Proben, die sich dem nicht-magnetisch isolierenden Zustand 1
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131 [Edmo 03] K. Edmonds. Journal o
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133 [Ishi 77] Y. Ishikawa, G. Shira
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137 [Rich 10] A. Richardella, P. Ro
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139 [Vila 07] L. Vila, R. Giraud, L
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Acknowledgements First ofall I woul
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