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Gerhard Prechtl - Diplomarbeit


Magnetooptische Charakterisierung digitaler semimagnetischer Heterostrukturen


Gerhard Prechtl

angefertigt am Institut für Halbleiterphysik

"Semimagnetische Halbleiter" entstehen durch partielle Substitution der Kationen in Verbindungshalbleitern durch Übergangsmetall-Atome, also z.B. Cd1-xMnxTe mit x<0.5. Diese Mischkristalle besitzen markante Eigenschaften, die aus der Wechselwirkung der freien Ladungsträger mit den magnetischen (Mn) Ionen resultiert, zB: eine außerordentlich große Zeeman Aufspaltung und Faraday Rotation, sowie die Ausbildung von magnetischen Polaronen.

Diese Polaronen sind Bereiche mit ferromagnetisch ausgerichteten Spins, deren Bildung auf die durch Ladungsträger vermittelte Austauschwechselwirkung zurückgeführt wird. Man unterscheidet je nach Bindungszustand der Ladungsträger (1) freie magnetische Polaronen, wobei theoretische Abschätzungen für das verwendete Materialsystem Cd1-xMnxTe zeigen, daß freie magnetische Polaronen (in makroskopischen Proben) bei flüssiger Heliumtemperatur nicht stabil sind. Es ist also (2) die Lokalisierung der Ladungsträger essentiell für die Bildung von magnetischen Polaronen. Diese Lokalisierung kann entweder durch das Coulomb Potential von seichten Störstellen erreicht werden - dies führt zu den sogenannten gebunden magnetischen Polaronen (BMP) - oder durch Potentialschwankungen, hervorgerufen durch Inhomogenitäten, die das "self- trapping" von lokalisierten magnetischen Polaronen (LMP) begünstigen.

Diese Potentialschwankungen sind auch der Grund für die Wahl von "digitalen Heterostrukturen", also schichtweise mit Epitaxieverfahren hergestellten Strukturen, hier einer etwa 50Å dicken CdTe Schicht zwischen Cd1-xMgxTe Schichten - also einer "Quantentopfstruktur", in die mehrere extrem schmale (sub-Monolagen) magnetische Cd1-xMnxTe Barrieren, eingebettet werden. Durch Variation der Anzahl der verwendeten Barrieren oder der Breite der Barrieren ändert sich das Potential und damit läßt sich das Verhalten der magnetischen Polaronen durch Änderung dieser Parameter gezielt untersuchen.

Zur Bestimmung der Polaronenenergie, also dem Energiegewinn durch Bildung der Polaronen, wird die "selektive Anregung" der Photolumineszenz untersucht, d.h., die Anregungsenergie wird gezielt variiert. Dabei konnten Einblicke über die Bildung von magnetischen Polaronen gewonnen werden. So wurde in der vorliegenden Arbeit gefunden, daß die Bildung der magnetischen Polaronen umso mehr begünstigt wird, je mehr paramagnetisches Mangan in den Barrieren vorhanden ist. Ebenso konnte das Verhalten der Polaronen unter verschiedartig geometrisch angeordneten Schichtfolgen studiert werden, d.h. im Quantentopf wird die Manganionenkonzentration im Mittel gleich gehalten aber lokal treten infolge der Schichtstruktur gezielte Potentialänderungen auf. Im speziellen wurde das Bandgapengineering ausgenützt um den Einfluß der Wechselwirkungen zwischen den nächstgelegenen Spins zu steuern und damit direkt die Bildung von magnetischen Polaronen zu fördern oder auch zu unterdrücken.

Weitere Fragen, wie sich etwa die digitalen Heterostrukturen auf die Polaronenbildungszeit auswirken, werden nun durch zeitaufgelöste selektive Anregung untersucht. Das hierzu benötigte Pico-sekunden Lasersystem ist kürzlich eingetroffen und bildet ein Kernstück für meine Dissertation.