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Transportmessungen mit Dejustage

Im Dokument Epitaxie von (Ga,Mn)As (Seite 68-71)

Abbildung 5.3:Typischer Verlauf von Hall-und Schichtwiderstand einer (kompressiv verspannten) GaMnAs-Probe im Feldbereich der Ummagnetisierung bei exakter Justage:

Im Schichtwiderstand dominiert nach der attigung des AMR bei ca.0,5 Tder NMR.

Abbildung 5.4:Schaltverhalten der Probe C101020B (ag) aus Abbildung 5.3 unter einer Dejustage vonφ5. Die Lage der Dips h¨angt von der sweep-Richtung ab. Aus [Rei11].

Dass bei der Charakterisierung von GaMnAs Proben mittels Magnetotransport bereits eine geringe Fehljustage zum Teil deutliche Konsequenzen haben kann, wird in den Messungen der Abbildungen 5.3 und 5.4 deutlich:

Die Messungen wurden an einer Hallbar der Probe C101020B (ag) durchgef¨uhrt und die erhaltenen Werte wurden anschließend nicht symmetrisiert bzw. antisymmetrisiert. Da in der Literatur bereits von ¨ahnlichem Verhalten berichtet (e.g. [Mat04], [Hir07], [Wur08]), der urs¨achliche Mechanismus aber nicht besprochen wurde, wurde dieser Effekt n¨aher untersucht. Eine ausf¨uhrlichere Darstellung der Daten findet sich in der Bachelorarbeit Juliane Reif [Rei11].

Wie in Abbildung 5.4 zu sehen, zeigte die Probe unter einer leichten Verkippung umφ≈5 (Abbildung 5.5 a) eine Art hysteretisches Verhalten:

Je nach sweep-Richtung war immer nach dem Nulldurchgang des B-Feldes ein ausgepr¨agter Dip in der Hallspannung zu sehen, w¨ahrend im Schichtwiderstand der Hallbar jeweils klei-ne Einbr¨uche zum Zeitpunkt dieses

”Schaltvorgangs“ verzeichnet wurden. F¨ur den Fall, dass die Ummagnetisierung durch Nukleation und Verschiebung von Dom¨anen stattfin-det, kann in der vorliegenden Probe also von einem negativen Dom¨anenwandwiderstand ausgegangen werden.

Insgesamt erinnert dieses Schaltverhalten stark an den Planaren Hall-Effekt, wie er bei-spielsweise in [Tan03] beschrieben wird.

Nach dem in [Rei11] ausf¨uhrlicher dargestellten Modell schaltet dieinplane-Komponente der Magnetisierung w¨ahrend des Magnetfeld-sweeps in zwei Schritten zwischen verschie-denen leichten h100i-Richtungen der Probe. Die out of plane Komponente der Magne-tisierung hingegen verh¨alt sich unver¨andert. Im Folgenden wird der Schaltprozess etwas genauer erl¨autert und anschließend die Argumente zusammengefasst, welche dieses Modell

5.2 Transportmessungen mit Dejustage

st¨utzen.

Abbildung 5.5:a) Position einer Hallbar im Oxford-Kryostaten und relevante Winkel bei gezielter Dejustage. b)InplaneKomponenten von Magnetisierung und externem B-Feld bei leichter Dejustage sowie die einzelnen Schrit-te bei der Ummagnetisierung nach [Rei11].

Grundlage des Models ist ein geringesinplaneFeldBk= sin(φ)B, das durch die Dejustage der Probenstabachse um den Winkel φ verursacht wird (Abbildung 5.5 a). Dieses verur-sacht bei der Ummagnetisierung einen planaren Halleffekt analog zu [Tan03] oder [Chu10].

Da die Messungen bei Helium-Temperatur stattfanden, k¨onnen wir davon ausgehen, dass die magnetisch leichten Achsen durch die kubische Anisotropie bestimmt werden und ent-lang der h100i-Richtungen liegen (Abbildung 5.5). Sie schließen mit der Stromrichtung einen Winkel von 45 bzw 135 ein. Die uniaxiale Anisotropie verursacht hier lediglich eine geringe Modifizierung der leichten Achsen (Abbildung 4.1), wogegen die Fehljustage um den Winkelφzus¨atzlich bewirkt, dass die Lage der L¨angsachse der Hallbar bez¨uglich der Probenstabachse (Winkel θ in Abbildung 5.5a) bestimmt, in welcher der Richtungen sich die inplane Komponente der Magnetisierung ausrichtet.

Die Richtung der Magnetisierung w¨ahrend der Ummagnetisierung h¨angt von der freien Energie ab. Nach [Tan03] ist die freie Energie im Falle des Planaren Hall-Effekts

Ef ree=Kusin2ϕM +1

4Kccos2M −M Hcos(ϕM −ϕH), (5.1) wobeiKu und Kc die Konstanten der uniaxialen bzw. kubischeninplane Anisotropie sind undϕM undϕB die Winkel derinplane Komponenten von ¨außerem Feld und Magnetisie-rung bez¨uglich der [110]-Richtung darstellen (Abbildung 5.5). Wie in Abbildung 5.5 ge-zeigt, schaltet so dieinplane-Magnetisierung in zwei 90-Schritten (2 und 3). Die restlichen Anderungen in der Hallspannung werden durch koh¨¨ arente Drehung der Magnetisierung (1 und 4) verursacht. Alternativ sind auch Beitr¨age durch die out-of-plane Komponente der Magnetisierung oder dem nicht herausgefilterten L¨angsanteil der Messung denkbar.

Der Umstand, dass der Schaltvorgang zwischen den leichten Richtungen nicht instantan vonstatten geht, deutet auf die Existenz von mehreren Dom¨anen in diesem Bereich hin. Mit

einem Zwei-Dom¨anen-Modell, wie es etwa in [Glu11] f¨ur reine PHE-Messungen entwickelt wurde, lassen sich solche weichen ¨Uberg¨ange gut erkl¨aren. Die unterschiedliche Geschwin-digkeit des Schaltvorgangs ist nach [Chu10] auf einen Beitrag der uniaxialen Anisotropie zur¨uckf¨uhren, der die Tiefe der Minima der freien Energie entlang der leichten Achsen unterschiedlich stark auspr¨agt.

Abbildung 5.6:Hallbar C101020B (ag): Ein-fluss der Probentemperatur auf das anomale Schaltverhalten. Aus [Rei11].

Abbildung 5.7:Hallbar C101020B (ag): Beein-flussung des Schaltverhaltens durch gezieltes Verkippen. Aus [Rei11].

Ein Argument daf¨ur, dass das genannte Modell den Verlauf der Ummagnetisierung richtig wiedergibt, ist die M¨oglichkeit, den Dip in der Hall-Spannung in einen Peak zu verwandeln, indem man die Fehljustage vonφauf −φ¨andert (Abbildung 5.7). Die einzelnen Zust¨ande der Probe werden also in umgekehrter Reihe durchlaufen: Eine Wirkung wie sie ebenfalls durch Inversion von Feld und Strom erzielt werden kann.

Des weiteren kann die Temperaturabh¨angigkeit des Effekts angef¨uhrt werden: Abbildung 5.6 zeigt, dass der Peak verschwindet, sobald etwa 60 K erreicht sind. Dies steht im Ein-klang mit der Tatsache, dass bei Temperaturen oberhalb von etwa T2C die uniaxiale Ani-sotropie das Verhalten der Probe dominiert. Somit entf¨allt das energetische Minimum bei 90 und die Magnetisierung springt, wenn ¨uberhaupt, um volle 180.

Als Einschr¨ankung des gesamten Modells muss allerdings erw¨ahnt werden, dass es bisher nicht m¨oglich war, ein solches zweistufiges Schaltverhalten mit SQUID-Messungen nach-zuvollziehen. Dies k¨onnte darauf zur¨uckzuf¨uhren sein, dass im Gegensatz zu [Tan03] und [Goe05] in anderen Ver¨offentlichungen von einem mehr-dom¨anigen Zustand w¨ahrend der Ummagnetisierung ausgegangen wird [Wel03], [Chu10] und so in den SQUID-Messungen als eine integrative Messmethode verborgen bleibt. Zur Kl¨arung dieses Sachverhalts k¨onnten beispielsweise Kerr-mikroskopische Untersuchungen angewandt werden.

Zusammenfassend l¨asst sich festhalten, dass in GaMnAs bereits sehr kleine (inplane) Fel-der von wenigen 10 mT reichen, um die Richtung Fel-der inplane Komponente der Magneti-sierung zu schalten, was wiederum auch dazu genutzt werden kann den Winkel φ einer Hallbar f¨ur Transportmessungen auf etwa±1 genau zu justieren.

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