Magnetische Resonanz an magnetischen Halbleitern

Abstract

In dieser Arbeit werden dünne Zinkoxidschichten auf Saphirsubstrat untersucht, die mit unterschiedlichen Konzentrationen der Fremdionen Mangan und Gallium implantiert sind. Mit Hilfe der Elektronenspinresonanz (ESR) soll ermittelt werden, ob und gegebenenfalls wie unterschiedliche n-Dotierungen die magnetische Wechselwirkung zwischen den Manganionen beeinflussen.

Die Zinkoxidschichten sind mit metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOVPE) hergestellt, typische Konzentrationen von Mangan und Gallium liegen zwischen 1E-18 und 1E-20 pro Kubikzentimeter. Mangan besetzt im hexagonalen Wurtzitgitter des ZnO Zinkgitterplätze und bildet paramagnetische Störstellen der Spinquantenzahl S=5/2 aus. Der semimagnetische Halbleiter ZnO:Mn bietet den Vorteil, dass mit der Manganimplantation keine Dotierung verbunden ist. Eine n-Dotierung kann also in unabhängiger Weise durch Galliumimplantation erreicht werden. p-Dotierung ist zur Zeit noch nicht möglich. Aus den ESR-Ergebnissen zur Dipolverbreiterung, dem Entmagnetisierungsfeld und der Linienintensität kann darauf geschlossen werden, dass die n-Dotierung eine antiferromagnetische Kopplung zwischen den Manganionen vermittelt.

Das ESR-Spektrum des Mangans im X-Band bei 4,2 Kelvin besteht aus 5 Feinstrukturgruppen, die durch den Kernspin I=5/2 jeweils wiederum in 5 Hyperfeinstrukturlinien aufgespalten sind. Die äußeren Feinstrukturgruppen sind durch Gitterverzerrungen verbreitert. Aus dem Spektrum werden zunächst die Parameter des Spin-Hamiltonoperators bestimmt und mit Daten von einkristallinen Proben aus der Literatur verglichen. Die Linienbreite wird bei allen Schichten von der Dipolverbreiterung dominiert, wobei die Konzentrationsverteilung des implantierten Mangans zu einer inhomogenen Linienbreite führt. Es wird gezeigt, dass die Beiträge aus Bereichen hoher Konzentration einen kleineren g-Faktor aufweisen als die Beiträge aus Bereichen mit starker Verdünnung. Mit zunehmender Temperatur steigt der g-Faktor der konzentrierten Bereiche an, bis er schließlich den Wert der verdünnten Bereiche erreicht. Dabei besteht eine lineare Beziehung zwischen g und 1/T. Dieses Verhalten wird als Entmagnetisierungseffekt identifiziert. Eine Serie von drei Proben gleicher Mangan-, aber unterschiedlicher Galliumkonzentration zeigt, dass der Effekt umso schwächer ausfällt, je höher die Galliumkonzentration ist. Das Ergebnis lässt darauf schließen, dass n-Dotierung die effektive Konzentration an paramagnetischen Mangan-Störstellen herabsetzt. Zu demselben Schluss führt der Vergleich der Linienintensitäten. Auch die unterschiedliche Dipolverbreiterung der drei Proben belegt dieses Ergebnis.

Die Beobachtungen können damit erklärt werden, dass je zwei Manganionen antiferromagnetisch zu einem Singulettzustand koppeln, wenn sie sich nahe genug an demselben Donatorzentrum befinden. Dabei sind die Donatorelektronen in den untersuchten Proben bei 4,2 Kelvin nicht delokalisiert. Ein einfaches Modell für die Wechselwirkung wird vorgestellt, das diese Tatsache berücksichtigt. Der Wechselwirkungsradius für eine effektive Singulettkopplung wird auf Grund der Messungen abgeschätzt. Messungen an Proben mit sehr geringer Manganimplantation zeigen keine Abhängigkeit der Konzentration paramagnetischen Mangans von der n-Dotierung. Damit kann eine direkte Wechselwirkung zwischen Gallium und Mangan als alternative Erklärung ausgeschlossen werden.

Die Untersuchung wird ergänzt durch Messungen am Donatorensignal sowie Messungen im W-Band bei hohen Magnetfeldern. Letztere zeigen eine im X-Band nicht vorhandene Zweifachaufspaltung im zentralen Feinstrukturübergang des Mangans.

In this work, thin zinc oxide layers on sapphire substrate are studied. The samples are implanted with different concentrations of manganese and gallium impurities. Electron spin resonance (ESR) measurements are conducted in order to address the question whether (and if so, how) different degrees of n-type doping influence the magnetic coupling between the manganese ions.

The zinc oxide layers have been produced with metal organic vapour phase epitaxy (MOVPE). Typical concentrations of manganese and gallium are between 1E-18 and 1E-20 per cubic centimetre. Manganese occupies zinc sites in the hexagonal Wurtzite lattice of ZnO, thereby forming paramagnetic centres with spin S=5/2. The semimagnetic semiconductor ZnO:Mn offers the advantage that manganese incorporation does not involve doping. Therefore, one has the possibility to independently adjust the n-type doping by Gallium implantation. p-doping is not yet possible at the moment. From the ESR results on dipolar broadening, demagnetization field and line intensity it can be concluded that n-doping mediates an antiferromagnetic coupling between the manganese ions.

The X-band spectrum of manganese at 4.2 Kelvin consists of 5 fine structure groups, which are each split into 5 hyperfine lines due to the nuclear spin I=5/2. The outer fine structure groups are broadened by lattice distortions. First the parameters of the spin Hamiltonian are determined from the spectrum and compared with literature results on single crystals. In all samples, dipolar broadening dominates the linewidth. The concentration profile of the implanted manganese thereby leads to an inhomogeneous linewidth. It is shown that the contributions from regions of high concentration have a smaller g-factor than the contributions from diluted regions. As the temperature rises, the g-factor of the concentrated regions increases until it finally reaches the value of the diluted regions. The relation between g and 1/T is linear. This behaviour is identified as demagnetization effect. A series of three samples with identical concentrations of manganese, but different gallium content shows that the effect decreases with increasing Gallium concentration. This result leads to the conclusion that n-doping reduces the effective concentration of paramagnetic manganese impurities. Independent evidence for this comes from the comparison of line intensities and the different linewidths caused by dipolar broadening.

The observations can be explained by an antiferromagnetic coupling between pairs of manganese ions that are located sufficiently close to the same donor centre. These pairs then can form singulet states. It has to be noted that at 4.2 Kelvin, the donor electrons are not delocalized in the samples under study. A simple model for the interaction is presented that takes into account this fact. From the measurements, the interaction radius of an effective singulet coupling is estimated. Measurements on samples with very low manganese implantation do not show any dependence of the paramagnetic manganese concentration on n-doping. Consequently, a direct interaction between gallium and manganese can be excluded as an alternative explanation for the results.

The study is supplemented by measurements of the donor signal and measurements at high magnetic fields (W-band). The latter show a double splitting of the central fine structure transition not present in the X-band.