Magnetic Field Sensors Based on Giant Magnetoresistance (GMR) Technology: Applications in Electrical Current Sensing

The 2007 Nobel Prize in Physics can be understood as a global recognition to the rapid development of the Giant Magnetoresistance (GMR), from both the physics and engineering points of view. Behind the utilization of GMR structures as read heads for massive storage magnetic hard disks, important applications as solid state magnetic sensors have emerged. Low cost, compatibility with standard CMOS technologies and high sensitivity are common advantages of these sensors. This way, they have been successfully applied in a lot different environments. In this work, we are trying to collect the Spanish contributions to the progress of the research related to the GMR based sensors covering, among other subjects, the applications, the sensor design, the modelling and the electronic interfaces, focusing on electrical current sensing applications

Application of ion beams for fabricating and manipulating III-Mn-V dilute ferromagnetic semiconductors

Manganese (Mn) doped III-V dilute ferromagnetic semiconductors (DFSs) are a candidate materials for semiconductor spintronics due to their intrinsic ferromagnetism mediated by holes. In this thesis, Mn doped III-V dilute ferromagnetic semiconductors (DFSs), including (Ga,Mn)As, (In,Mn)As, (Ga,Mn)P, and (In,Ga,Mn)As have been successfully prepared by ion implantation and pulsed laser melting. All (In,Ga,Mn)As films are confirmed to be well recrystallized and ferromagnetic while their Curie temperatures depend on the Ga concentration. (Ga,Mn)As and (Ga,Mn)P have an inplane easy axis, while an out-of-plane easy axis for (In,Mn)As is observed. However, all of them do not present strong in-plane uniaxial anisotropy between [110] and [110] directions, which always occurs in low temperature molecular beam epitaxy (LT-MBE) grown (Ga,Mn)As samples. The reason is ascribed to the fact that the ultra-fastrecrystallization induced by pulsed laser melting weakens the formation of Mn-Mn dimers along the [100] direction which occurs in LT-MBE grown (Ga,Mn)As. Then selected samples were co-doped with Zn or irradiated with He ions. The Zn co-doping leads to the increase of conductivity of (Ga,Mn)P, however both the Curie temperature and magnetization decrease, which is probably due to the suppression of active Mn substitution by Zn co-doping. By using Rutherford Backscattering Spectroscopy and Particle-Induced X-ray Emission, the substitutional Mn atoms in (Ga,Mn)As are observed to shift to interstitial sites, while more Zn atoms occupy Ga sites. This is consistent with first-principles calculations, showing that the formation energy of substitutional Zn and interstitial Mn is 0.7 eV lower than that of interstitial Zn and substitutional Mn. For ion irradiated (Ga,Mn)As, (In,Mn)As and (Ga,Mn)P, both Curie temperature and magnetization decrease due to the hole compensation. However, the compensation effect is the strongest in (In,Mn)As and the least in (Ga,Mn)P. This is due to the different energy level of the produced defect relative to the band edges in different semiconductors. The results in the thesis point to an important issue: the difference in the band alignment and the hole binding energy of Mn dopants in different III-Mn-V dilute ferromagnetic semiconductors have strong influence on their magnetic properties and should be taken into account in the material design

Characterization of semiconductor nanostructures by spin-flip Raman spectroscopy

Das wesentliche Ziel im Forschungsfeld der Spintronik ist die volle Ausnutzung von Spin und Ladung quantenmechanischer Teilchen, um Informationen darzustellen und zu verarbeiten. Eine Grundvoraussetzung für die Realisierung von Festkörper- Quanteninformationsanwendungen ist die robuste Quantenkohärenz, die die Essenz der Verschränkung darstellt. Die fundamentale Frage mit der sich die Halbleiter-Spintronik auseinandersetzt ist daher, wie die Quantendekohärenz durch störende Wechselwirkungen innerhalb von Halbleiterstrukturen kontrolliert werden kann. Entscheidend für die Erforschung neuer Spin-Effekte oder zur Verbesserung bestehender Spin-Phänomene ist das Erlangen eines besseren Verständnisses quantenmechanischerWechselwirkungen, insbesondere zwischen Ladungsträgern untereinander als auch zwischen Ladungsträgern und sekundären Systemen. Zu sekundären Systemen zählen zum Beispiel thermische Phononen, uktuierende Ladungen oder Kernspins. Im Rahmen dieser Arbeit wird die fundamentale Frage mit Hilfe der Spin-Flip-Raman-Streuung in Angriff genommen, die eine grundlegende Technik darstellt, um Spin-Wechselwirkungen von niederdimensionalen Halbleitern zu untersuchen. In diesem Hinblick widmet sich diese Arbeit verschiedenen Forschungsschwerpunkten, wobei Spin-Effekte und Wechselwirkungen in selbstorganisierten (In,Ga)As/GaAs Quantenpunkten, in verdünnt magnetischen (Zn,Mn)Se Halbleitern und CdSe kolloidalen Nanokristallen untersucht werden. Im ersten Teil der Arbeit liegt der Schwerpunkt auf der thermischen Effizienzsteigerung der kohärenten Spin-Flip-Raman-Streuung an residenten Elektronen in Quantenpunkten. Insbesondere wird demonstriert, dass thermische Phononen den kohärenten Spin-Flip-Streuprozess auf Basis der Elektronenaustausch-Wechselwirkung nicht ausschließlich stören. Dies unterstreicht, dass es lohnenswert ist, die kohärente Spinphysik bei hohen Temperaturen voranzutreiben. Es wird ferner gezeigt, dass die Spin-Flip- Raman-Streuung nicht nur zur Manipulation von Ladungsträgerspins eingesetzt werden kann, sondern auch, um die Kopplung von Ladungsträgerspins an das umgebende Kernspinbad sensibel anzuzeigen. Auf dieser Basis lässt sich auch das zentrale Spin- Problem untersuchen. Der zweite Teil dieser Arbeit befasst sich mit dem Einfluss von Kristallfeldaufspaltung auf paramagnetische Mn2+ Spin-Flip-Resonanzen in einem verdünnt magnetischen Quantentrog. Es wird nachgewiesen, dass eine signifikante Quadrupolkorrektur von einigen Dutzend GHz dieWechselwirkung beeinflusst, was zu einer starken Asymmetrie der gestreuten Lichtfrequenz führt. Im letzten Teil dieser Arbeit werden die Spin-Eigenschaften von residenten Elektronen in CdSe Nanoplättchen untersucht, welche eine starke Abhängigkeit vom Quanteneinschlusspotential und der Magnetfeldeinschränkung aufzeigen. Zusammengefasst weist diese Arbeit die Fortschritte und Probleme der Halbleiter-Spintronik auf und fast verschiedene Möglichkeiten zur Identifizierung, Manipulation und Beobachtung von Ladungsträger-Spin-Eigenschaften zusammen

Erprobung und Optimierung verschiedener Magnetfelddetektionsverfahren im Hinblick auf ihre Eignung als ultraschnelle Messtechnik

Viele mikroskopische Vorgänge in Festkörpern und molekularen Verbindungen sind verbunden mit Änderungen ihres Magnetisierungszustandes. Dies macht den Einsatz externer Magnetfeldsensoren interessant, die sich über wohlbekannte Effekte kalibrieren ließen und dann im Messeinsatz quantitative Aussagen liefern können. Nun laufen viele der interessanten magnetischen Vorgänge in besagten Materialien auf sehr schnellen Zeitskalen im Piko- und Subpikosekundenbereich ab. Kein etablierter Magnetfeldsensor kann diese Anforderung leisten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine systematische Untersuchung verschiedener Ansätze zum Bau ultraschneller Magnetfelddetektoren durchgeführt. Ein Teil der Arbeit beschäftigt sich mit dem Potential photokonduktiver Ringantennen als Emitter und Detektor für ultraschnelle Magnetfelder. Ein alternativer Ansatz zur Messung transienter Magnetfelder besteht in der Verwendung magnetooptischer Sensoren, wie sie in verschiedenen Anwendungen, in denen keine Zeitauflösung gefordert wird, bereits zum Einsatz kommen (z. B. in der Faradaymikroskopie). Es wird eine für ultraschnelle Magnetooptik vielversprechende Materialklasse als Sensormaterial vorgestellt: die DMS-Systeme. Das sind magnetisch dotierte Verbindungshalbleiter, die in der Umgebung ihrer exzitonischen Resonanzen gewaltige Verdetkonstanten aufweisen. Parallel zu den DMS-Systemen wird das Verhalten eines dotierten Eisengranats untersucht, der als Ferrimagnet völlig andere Voraussetzungen als Messsensor bietet. Darüber hinaus werden verschiedene experimentelle Techniken zur Messung magnetooptischer Phänomene vorgestellt und ihre Vor- und Nachteile ausführlich diskutiert. Es wird ein Verfahren entwickelt, das trotz des Einsatzes der hochempfindlichen Differenzdetektion eine gewisse spektrale Auflösung gewährleistet und deshalb den Betrieb der DMS-Systeme als magnetooptische Sensoren erst ermöglicht. Es werden für die verschiedenen Messmethoden und magnetooptischen Materialien die Grenzen der Nachweisempfindlichkeit analysiert und ihre Eignung als schnelle Detektoren untersucht. Die verschiedenen Vor- und Nachteile der beiden Sensorsubstanzen wird anhand der gemessenen magnetischen Transienten detailliert analysiert. Anschließend wird das Optimierungspotenzial der beiden Materialklassen hinsichtlich ihrer chemischen Zusammensetzung ausgearbeitet und dargestellt

Übergangsmetall-dotierte Halbleiter-Nanostrukturen aus lösungsmittelbasierter Herstellung: Von der Funktionalität zum Bauelement

Combining the outstanding electrical and optical properties of semiconductors with magnetic functionalities in a single material is a vision with the perspective to revolutionize information technology. A promising approach towards this goal lies in the partial replacement of host atoms of a ‘classical’ semiconductor by transition metal ions with nonzero spin moment, introducing novel magnetic and magneto-optical functionalities. Among these so-called diluted magnetic semiconductors (DMS), colloidal nanostructures offer strongly increased exchange interactions due to the high level of quantum confinement accessible in those materials. In this thesis, the degrees of freedom provided by the colloidal preparation of DMS nanostructures are explored. It is investigated how the optical and magneto-optical properties of DMS nanostructures can be influenced by modifying their architecture with monolayer or even atomic precision, and it is evaluated, whether their magnetic functionalities can be addressed electrically via integration in a device. Colloidal quantum wells (so-called nanoplatelets) offer the possibility to introduce transition metal dopants with monolayer precision. This potential was used to precisely control the exchange interactions and furthermore, the magneto-optical response was utilized to obtain a detailed insight into the excited electronic structure of these materials. By decreasing the size of spherical quantum dots to – in total – 26 atoms (13 cadmium and 13 selenide atoms, respectively) in magic sized clusters, it could be shown that their optical and magneto-optical properties can be modified by single atomic impurities. In manganese-doped clusters, evidence was provided that the magneto-optical functionality can be digitally controlled via doping with either one or two transition metal ions. On the other hand, alloying with isovalent zinc shifts the band edge energy in discrete steps. Observation of specific magneto-optical functionalities in manganese doped alloy clusters revealed the successful combination of four different elements in single clusters. Beyond that, the reduced size and distinct lattice structure of the magic sized clusters was found to have an impact on structure related properties. Doping with cobalt ions enabled an optical evidence of reduced cobalt-anion bond length compared to bulk, evidencing the clusters’ capability to respond to the replacement of one constituent by an atom of smaller size. Surprisingly, a twofold (as compared to bulk) enhanced temperature dependence of the bandgap energy was found, which could be traced back to the reduced cluster size, i.e., the small number of bonds and the high amount of surface atoms. In order to take the step from material development to devices, the incorporation of colloidal DMS nanostructures into an electrically driven device is demonstrated for the first time. By incorporating spherical DMS quantum dots into a solution processed device, electrically triggered magnetic ordering of the dopant spins could be achieved.Das zentrale Ziel der Spinelektronik, welches die Entwicklung neuartiger Technologien zur Informationsspeicherung und -verarbeitung verfolgt, besteht in der Vereinigung der elektronischen und optischen Eigenschaften von Halbleitern mit einer magnetischen Funktionalität in einem einzigen Materialsystem. Einen vielversprechenden Ansatz stellen verdünnt magnetische Halbleiter-Nanostrukturen dar, in denen durch Dotierung mit Übergangsmetallen eine magneto-optische Funktionalität erzeugt wird. Die lösungsmittelbasierte Synthese eröffnet hier die Möglichkeit, dotierte Nanostrukturen mit unterschiedlichster Form, Größe und Zusammensetzung herzustellen, und erlaubt außerdem deren Weiterverarbeitung aus einer Dispersion bis hin zum Bauelement. In der vorliegenden Dissertation werden diese unterschiedlichen Freiheitsgrade in mehrerer Hinsicht ausgenutzt. Zum einen wird untersucht, welche Auswirkungen eine Übergangsmetall-Dotierung mit Monolagen- oder sogar atomarer Präzision auf die Materialeigenschaften hat. Zum anderen wird erstmals erarbeitet, ob und wie die magneto-optische Funktionalität von magnetisch dotierten Halbleiternanokristallen in elektronischen Bauteilen gezielt erzeugt werden kann. Die magnetische Dotierung von kolloidalen Nanoplättchen mit komplexem Kern-Hülle Aufbau eröffnete die Möglichkeit, durch Variation der Schichtdicken und der Schichtzusammensetzung mit einer Genauigkeit von einzelnen Monolagen die magneto-optische Funktionalität gezielt zu manipulieren. Außerdem erlaubte die Dotierung einen detaillierten Einblick in die elektronische Struktur dieser neuartigen Materialklasse. Durch eine Reduzierung der Abmessungen von Nanokristallen hin zu Nanoclustern bestehend aus nur 26 Atomen (je 13 Cadmium- und Selenatome) wird es möglich, die optischen und magneto-optischen Eigenschaften durch den Austausch gar einzelner Atome zu verändern. In Mangan-dotierten Nanoclustern konnte gezeigt werde, dass die magneto-optische Funktionalität der Cluster durch den Einbau von einem bzw. zwei Mangan-Ionen in digitaler Weise kontrolliert werden kann. Durch den Nachweis von magneto-optischer Funktionalität in Mangan-dotierten Cadmium-Zink-Selenit Mischclustern gelang es, den erfolgreichen Einbau von vier verschiedenen Atomsorten in einzelne Cluster bestehend aus 26 Atomen nachzuweisen. Interessante Einflüsse der geringen Größe der Cluster auf strukturabhängige Eigenschaften zeigten sich bei den optischen Experimenten. Anhand eines internen optischen Übergangs in Kobalt-dotierten Clustern konnten Rückschlüsse auf die Bindungslängen zwischen den Kobalt- und Selen-Ionen gewonnen werden. Außerdem wurde eine im Vergleich zum Volumenhalbleiter zweifach verstärkte Abhängigkeit der Bandlückenenergie von der Temperatur beobachtet und mit Hilfe einer thermodynamischen Interpretation auf die geringe Anzahl an Bindungen in den Clustern sowie den hohen Anteil an Oberflächenatomen zurückgeführt. Zum Schluss konnte durch die Implementierung von magnetisch dotierten, kolloidalen Quantenpunkten in elektronischen Bauelementen der nächste Schritt hin zur Nutzung von verdünnt magnetischen Halbleiter-Nanostrukturen in spinelektronischen Bauelementen vollzogen werden

Magneto-optical spectroscopy of dilute magnetic semiconductors

Dilute magnetic semiconductors (DMS) are a class of semiconductors where a magnetic ion has been randomly but substitutionally doped into a conventional semiconductor. DMS are currently envisioned as a key ferromagnetic material to be used in the construction of spintronic devices, or devices which operate based on the spin of spin-polarized charge carriers. I report primarily on magnetic characterization of Ga1-xMnxAs, and additionally on structural characterization of Ga1-xMnxN, examples of (III,Mn)V DMS. Magnetic Raman scattering experiments performed on Ga1-xMnxN were unsuccessful. Results from magnetic Brillouin light scattering (BLS) measurements of Ga1-xMnxAs include the angular- and field-dependence of magnon (spin-wave) frequencies and the resulting description of magnetocrystalline anisotropy; dependence of magnon frequency on Mn content, temperature, and incident laser power; and the observation of surface magnon modes. Transverse magneto-optical Kerr effect (t-MOKE) measurements provide an additional perspective on magnetocrystalline anisotropy and serve to completely eliminate the possibility of a description in terms of the Stoner-Wohlfarth single-domain model

Spin dynamics in semiconductors

This article reviews the current status of spin dynamics in semiconductors which has achieved a lot of progress in the past years due to the fast growing field of semiconductor spintronics. The primary focus is the theoretical and experimental developments of spin relaxation and dephasing in both spin precession in time domain and spin diffusion and transport in spacial domain. A fully microscopic many-body investigation on spin dynamics based on the kinetic spin Bloch equation approach is reviewed comprehensively.Comment: a review article with 193 pages and 1103 references. To be published in Physics Reports