About the unusual optical and magneto-optical properties of Mn-doped zinc oxide

Autor: Jankowski, Stephanie
Přispěvatelé: Heimbrodt, Wolfram (Prof. Dr.)
Jazyk: němčina
Rok vydání: 2014
Předmět:
DOI: 10.17192/z2014.0055
Popis: In recent years, the field of spintronics has been increasing efforts through research on diluted magnetic semiconductors ( DMS). Spintronics uses the charge of electrons, as in usual semiconductors but also the magnetic moment of the electrons, the so called spin. These materials could be used to develop new methods of sensors and new kind of memories. Thus, it is essential to obtain a deeper knowledge of the electronic and magnetic nature of these materials. ZnMnO is a promising candidate for spintronic applications because of the theoretical predictions of ferromagnetism by room temperature of Dietl et al [1]. Unfortunately it exists neither unanimity about the realizability of ferromagnetism in this material nor exact knowledge about the fundamental electronic and magnetic properties. It becomes apparent that ZnMnO does not follow the chemical trend of the II-Mn-VI-DMS. Within this work ZnMnO crystals have been investigated using optical and magneto-optical methods in order to understand the opto-electronic and opto-magnetic properties. With the gain of this understanding the unusual behavior of this material system can be explained. Therefor a variety of experimental methods have been used, i.e. temperature and polarization dependent photoluminescence measurements within external magnetic fields, absorption measurements, and Raman spectroscopy. The results from these investigations allow a quantitative determination of the excitonic properties and give a consistent view on the internal manganese system. Although the manganese ions occupy Zn sites the d-shell electrons of the manganese do not hybridize with the electrons of the host crystal. The lack of this hybridization is the reason that the magnetic exchange interaction is much smaller as expected. Unfortunately this leads to the conclusion that this material system is not feasible for spintronics. [1] T. Dietl et al. Science 287, 1019 (2000), PRB 63, 195205 (2001)
In den letzten Jahren wurde vermehrt versucht durch die Forschung an verdünnten magnetischen Halbleitern (DMS) das Gebiet der Spintronik zu erschließen. In der Spintronik soll nicht nur die Ladung des Elektrons, wie in der herkömmlichen Halbleiterelektronik, genutzt werden, sondern zusätzlich noch das magnetische Moment des Elektrons, der sogenannte Spin. Diese Materialien könnten dafür genutzt werden, neuartige Sensor- und Speichermethoden zu entwickeln. Dazu ist es essentiell eine genauere Kenntnis der elektronischen und magnetischen Eigenschaften dieser Materialien zu erlangen. Das in der vorliegenden Arbeit untersuchte Material ZnMnO ist ein vielversprechender Anwärter für den Bereich der Spintronik, da diesem in den theoretischen Arbeiten von Dietl et al. [1] Ferromagnetismus bei Raumtemperatur vorausgesagt wurde. Leider gibt es bis heute aber weder Einstimmigkeit darüber, ob Ferromagnetismus in diesem Material möglich ist, noch genauere Kenntnis über die zu Grunde liegenden elektronischen und magnetischen Eigenschaften. Denn wie sich herausstellt, verhält sich dieses Material im Vergleich zu den übrigen Vertretern der II-VI-DMS Familie anders als es der chemische Trend erwarten lässt. Es wurden ZnMnO-Kristalle im Rahmen der Promotion optisch und magnetooptisch untersucht, um so fundamentale Erkenntnisse über ihre optoelektronischen und optomagnetische Eigenschaften zu erhalten und damit eine Erklärung für das außergewöhnlich Verhalten des Materialsystems zu finden. Hierzu stand ein breiter Zugriff auf diverse experimentelle Methoden zur Verfügung, bei dem neben temperatur- und polarisationsabhängigen Photolumineszenzmessungen in externen Magnetfeldern auch Absorptionsmessungen sowie Ramanspektroskopische Untersuchungen eingesetzt wurden. Die daraus gewonnen Ergebnisse lieferten einen Zugang zu den Materialparameter der Exzitonen, aber auch ein eindeutiges Bild über das interne Mangansystem. Aufgrund dieser Erkenntnisse wurde deutlich, dass obwohl das Mangan im ZnO-Kristall auf den entsprechenden Zn-Gitterplätzen eingebaut ist, die d-Elektronen des Mangans jedoch nicht wie erwartet mit den Elektronen des Wirtskristalls hybridisieren und es aufgrund dessen nicht zu den magnetischen erwarteten großen Austauschwechselwirkungen kommt. Leider bedeutet dies auch, dass damit keine Spintronik mit diesem Material möglich sein wird. [1] T. Dietl et al. Science 287, 1019 (2000), PRB 63, 195205 (2001)
Databáze: OpenAIRE
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