Authors:	Gacic, Milan
Title:	Cobalt dotiertes ZnO als verdünnter magnetischer Halbleiter
Online publication date:	28-Apr-2009
Year of first publication:	2009
Language:	german
Abstract:	Verdünnte magnetische Halbleiter (DMS) sind technologisch vielversprechende Materialien mit sowohl ferromagnetischen als auch halbleitenden Eigenschaften. Sie gehören zu den entscheidenden Verbindungen bei der Entwicklung neuartiger Spintronikanwendungen. Bisher scheiterte der technologische Einsatz jedoch daran, dass die Curie Temperatur der meisten magnetischen Halbleiter viel zu niedrig ist. Neue Verbindungen auf Basis von ZnO wie Zn1-xCoxO sollen jedoch Ferromagnetismus oberhalb von Raumtemperatur zeigen. Die theoretischen Grundlagen der magnetischen Wechselwirkungen sind jedoch nicht verstanden und erfordern daher umfangreiche experimentelle Untersuchungen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden dünne Filme aus Zn0.95Co0.05O mittels Laserablation hergestellt und bezüglich ihrer magnetischen, elektrischen und strukturellen Eigenschaften untersucht, mit dem Ziel den Ferromagnetismus in diesem Material besser zu verstehen. Dabei kamen verschiedene experimentelle Methoden zum Einsatz: wie Magnetometrie, Röntgendiffraktometrie, Magnetischer Röntgenzirkulardichroismus (XMCD), Elektronenspinresonanz sowie magnetoelektrische Transportmessungen. Bei entsprechend defektfördernden Herstellungsbedingungen zeigen die Proben klare ferromagnetische Eigenschaften oberhalb von Raumtemperatur mit einer Sättigungsmagnetisierung von ca. 2 Bohr Magneton / Co sowie einer Remanenz von bis zu 90%. Elektrische Transportmessungen zeigen zudem einen deutlichen Magnetowiderstand sowie einen anomalen Hall Effekt. Letzterer steigt mit der Probenmagnetisierung und spricht für intrinsischen Ferromagnetismus sowie eine geringe Spinpolarisation. Da der Ferromagnetismus mit höherer Ladungsträgerdichte jedoch verschwindet, ist eine ferromagnetische Wechselwirkung über die Leitungselektronen auszuschließen. Eine genauere Auswertung der magnetoelektrischen Messdaten deutet zudem auf ein leitendes Störstellenband hin, das unter Umständen selbst spinpolarisiert ist. Vieles spricht somit dafür, dass die ferromagnetische Ordnung über magnetische Polaronen zustande kommt. Einige strukturelle und magnetometrische Ergebnisse sowie Elektronenspinresonanzmessungen deuten zudem auf metallische Ausscheidungen in Form von Cobalt Clustern hin, die einen zusätzlichen extrinsischen ferromagnetischen Beitrag liefern, der deutlich größer sein könnte als der intrinsische. Überraschenderweise zeigen XMCD Messungen jedoch, dass Cobalt überhaupt nicht am Ferromagnetismus beteiligt ist. Insgesamt gibt es Anzeichen, dass magnetische Defekte eine entscheidende Rolle hinsichtlich des Magnetismus in Zn0.95Co0.05O spielen. Dilute magnetic semiconductors (DMS) are technologically promising materials that show ferromagnetic as well as semiconducting properties. These are one of the crucial compounds concerning the development of spintronic devices. The main problem so far ist that for applications the Curie temperature of most of the DMS compounds is much too low. However, DMS compounds based on ZnO as Zn1-xCoxO seem to show ferromagnetism above room temperature, but the ferromagnetic exchange is not fully understood. Intensive experimental investigations need to be done. In the course of this theses Zn0.95Co0.05O thin films were fabricated by pulsed laser deposition and investigated concerning their magnetic, magnetoelectric and structural properties in order to understand the ferromagnetism in this material. Different experimental methods have been used, as magnetometry, xray diffraction (XRD), x-ray magnetic circular dichroism (XMCD), electron spin resonance (ESR) and magnetoelectric transport measurements. At special preparation conditions, where a high defect density is induced, the samples are clearly ferromagnetic above room temperature with a saturation magnetization of 2 Bohr Magneton / Co and a remanence of 90%. Electrical transport measurements show a clear magnetoresistance as well as a anomalous hall effect. The anomalous Hall Effect rises with the magnetization indicating intrinsic ferromagnetism and a certain degree of spinpolarization. As the ferromagnetism disappears with rising charge carrier density the ferromagnetic interaction cannot be mediated by the conduction electrons. A more precise evaluation of the magnetoelectric results shows that there is an additional conducting impurity band which could even be spinpolarized. So there are indications that the ferromagnetism is due to magnetic polarons. Some of the structural and magnetometric results as well as the electron spin resonance measurements suggest an additional extrinsic contribution to the ferromagnetic moment which is due to metallic Cobalt segregations. This contribution could be much higher than the intrinsic one. However, XMCD measurements show that Cobalt is not contributing to the ferromagnetism at all. All things considered, there are indications that magnetic defects play a crucial role in the magnetism of Zn0.95Co0.05O.
DDC:	530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-4331
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-19833
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Appears in collections:	JGU-Publikationen