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    Origin of ferromagnetism in diluted magnetic semiconductors

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    In der vorliegenden Arbeit wurden die verdünnten magnetischen Halbleiter MnxGe1-x, Zn1-xMexO und Sn1-xMexO2 (mit Me = Co, Fe) als mögliche Kandidaten zur Anwendung in der Spinelektronik hergestellt und charakterisiert. Dabei ist von zentraler Bedeutung, ob der Ferromagnetismus eine intrinsische Eigenschaft der DMS ist, wobei dessen Ursachen in der Literatur nach wie vor kontrovers diskutiert werden. Die Untersuchung der elektronischen Struktur der DMS mittels Synchrotronstrahlung ist ein vielversprechendes Verfahren, um der Ursache der ferromagnetischen Kopplung auf den Grund zu gehen.Zunächst wurde MnxGe1-x im Einkristallzüchtungsprozess nach Bridgman hergestellt. Bei der Untersuchung der elementspezifischen Verteilung in den Proben wurde festgestellt, dass während des Züchtungsprozesses eine Phasenseparation in Mn-reiche und Mn-arme Gebiete aufgetreten war. Der Vergleich der Magnetisierungsmessungen mit denen der Referenzproben Mn11Ge8 und Mn5Ge3 zeigte, dass die Ursache des ferromagnetischen Verhaltens in MnxGe1-x in der Bildung von Mn-reichen ferromagnetischen Clustern begründet ist. XAS-Messungen um die Mn 2p-Absorptionskante an Mn-reichen sowie Mn-armen Bereichen der MnxGe1-x-Proben zeigten, dass sich Mn im divalenten Oxidationszustand (2+) befindet. Des Weiteren wurden ResPES-Messungen an der Mn 2p-3d-Kante durchgeführt, um die Mn 3d PDOS aus dem Valenzband von Ge zu extrahieren. Die hierbei erhaltene PDOS unterstützt die These der Bildung von Mn-reichen Einschlüssen. In der vorliegenden Arbeit wurde gezeigt, dass das gemessene magnetische Verhalten der MnxGe1-x-Proben von der Bildung Mn-reicher Phasen verursacht wird, und deshalb die Bridgman-Methode zur Herstellung der DMS ungeeignet ist.Die dünnen Schichten der oxidischen Halbleiter Zn1-xMexO und Sn1-xMexO2 (mit Me = Co, Fe und 0.05 Das Modell der gebundenen magnetischen Polaronen, bei dem die ferromagnetische Kopplung von Sauerstoff-Fehlstellen verursacht wird, ist deshalb ein passendes Modell zur Beschreibung des ferromagnetischen Verhaltens im oxidischen DMS Zn1-xMexO. In diesem Modell bilden sich magnetische Polaronen um Sauerstoff-Fehlstellen aus. Magnetische Verunreinigungen, die sich innerhalb des Einflussbereiches dieser Polaronen befinden, koppeln sofern die Perkolationsschwelle erreicht ist und sich die Polaronen überlappen.ResPES-Messungen extrahieren die partielle Zustandsdichte der Metall-Ionen aus dem Valenzband des oxidischen Halbleiters und ermöglichen so den Vergleich mit theoretischen Rechnungen. Die Zustandsdichte nahe dem Fermi-Niveau ist bei allen Proben vernachlässigbar gering, was die geringe Leitfähigkeit der Proben erklärt.An den Co-dotierten ZnO-Proben wurde eine optische Charakterisierung durchgeführt. Transmissions- und Absorptionsmessungen bestätigen, dass Co in tetraedrischer Umgebung von Sauerstoff umgeben im Oxidationszustand (2+) vorliegt. Photolumineszenzmessungen an Zn1-xCoxO-Proben zeigten die für die Präsenz von Sauerstoff-Fehlstellen charakteristische breite grüne Lumineszenzbande

    Intrinsic ferromagnetism versus phase segregation in Mn-doped Ge

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    We report on a detailed study of structural, magnetic, and electronic properties of MnxGe1−x single crystals (

    Defect induced low temperature ferromagnetism in Zn1-xCoxO films

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    We present a detailed study on the structural, magnetic, and optical properties, as well as the electronic structure of epitaxial Co-doped ZnO films prepared by magnetron sputtering. Different preparation conditions were implemented in order to control the concentration of oxygen vacancies in the ZnO host lattice. Magnetization measurements indicate ferromagnetic behavior at low temperature for samples prepared at oxygen-poor conditions whereas the samples prepared at oxygen-rich conditions show extremely small ferromagnetic signal corroborating that ferromagnetism in Zn1−xCoxO correlates with the presence of the oxygen-related defects. X-ray absorption spectroscopy (XAS) at the Co L2, 3 edge together with optical transmittance measurements show that Co ions are present in the high-spin Co2+ (d^7) state under tetrahedral symmetry indicating a proper incorporation in the ZnO host lattice. Comparison of the O K edge XAS spectra of the samples prepared at different conditions show substantial changes in the spectral line shape which are attributed to the presence of lattice defects such as oxygen vacancies in the ferromagnetic oxygen-poor Co-doped ZnO samples. Our findings indicate that the ferromagnetic properties of Co-doped ZnO samples are strongly correlated with the presence of oxygen vacancies in the ZnO lattice supporting the spin-split impurity band model

    Defect-induced ferromagnetism in Co-doped ZnO thin films

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    We present a study on the structural, magnetic, and optical properties, as well as the electronic structure of Co-doped ZnO films prepared by magnetron sputtering.Magnetization measurements performed at different temperatures indicate ferromagnetic and paramagnetic behavior for the samples prepared at oxygen-poor conditions whereas the samples prepared at oxygen-rich conditions show only paramagnetic behavior corroborating that the presence of oxygen-related defects is essential for ferromagnetism in Zn1−xCoxO. Xray absorption spectroscopy (XAS) at the Co L2,3 edge together with optical transmittance measurements show that Co ions are present in the high-spin Co2+ (d7) state under tetrahedral symmetry indicating a proper incorporation in the ZnO host lattice. Comparison of the O K edge XAS spectra of the samples prepared at different conditions show substantial changes in the spectral line shape which are attributed to the presence of lattice defects such as oxygen vacancies in the ferromagnetic oxygen-poor Co-doped ZnO samples. Our findings indicate that the ferromagnetic properties of Co-doped ZnO samples are strongly correlated with the presence of oxygen vacancies in the ZnO lattice supporting the spin-split impurity band model

    Room temperature ferromagnetic (Zn,Co)O epitaxial films obtained by low-temperature MOCVD process

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    High quality epitaxial films of Zn1-xCoxO solid solutions were obtained by low-temperature MOCVD process using water vapor up to x = 0.33. Depositions were carried out at 300 °C on r-sapphire substrates. Films structure and composition were investigated by XRD, XPS and EDX measurements. Magnetic properties were examined using SQUID and Kerr effect measurements. All samples showed ferromagnetic behavior at room temperature. NEXAFS and PES were employed to investigate electronic structure of the films
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