Giant magnetoresistance in semiconductor / granular film heterostructures with cobalt nanoparticles

We have studied the electron transport in SiO${}_2$(Co)/GaAs and SiO${}_2$(Co)/Si heterostructures, where the SiO${}_2$(Co) structure is the granular SiO${}_2$ film with Co nanoparticles. In SiO${}_2$(Co)/GaAs heterostructures giant magnetoresistance effect is observed. The effect has positive values, is expressed, when electrons are injected from the granular film into the GaAs semiconductor, and has the temperature-peak type character. The temperature location of the effect depends on the Co concentration and can be shifted by the applied electrical field. For the SiO${}_2$(Co)/GaAs heterostructure with 71 at.% Co the magnetoresistance reaches 1000 ($10^5$ %) at room temperature. On the contrary, for SiO${}_2$(Co)/Si heterostructures magnetoresistance values are very small (4%) and for SiO${}_2$(Co) films the magnetoresistance has an opposite value. High values of the magnetoresistance effect in SiO${}_2$(Co)/GaAs heterostructures have been explained by magnetic-field-controlled process of impact ionization in the vicinity of the spin-dependent potential barrier formed in the semiconductor near the interface. Kinetic energy of electrons, which pass through the barrier and trigger the avalanche process, is reduced by the applied magnetic field. This electron energy suppression postpones the onset of the impact ionization to higher electric fields and results in the giant magnetoresistance. The spin-dependent potential barrier is due to the exchange interaction between electrons in the accumulation electron layer in the semiconductor and $d$-electrons of Co.Comment: 25 pages, 16 figure

Применение барьерных слоев диоксида титана для формирования мультиферроиков ферромагнетик/сегнетоэлектрик

The layered multiferroics Co/PZT were obtained by ion-beam sputtering-deposition method, where PZT is a ferroelectric ceramic based on lead titanate zirconate of the composition PbZr0.45Ti0.55O3 with a thermostable plane-parallel ferroelectric/ferromagnet interface. Using cross-sectional scanning electron microscopy (SEM), we studied the interface of a cobalt layer up to several micrometers thick with a thick ceramic substrate of lead zirconate titanate. It has been shown that the use of a titanium dioxide barrier layer of TiO2 instead of PZT allows quality improvement of the interface by reducing the duration of ion-beam planarization of the ferroelectric substrate, and also to eliminate the formation of intermediate chemical compounds. Based on the data of X-ray phase analysis (XRD), it was concluded that the TiO2 layer is amorphous. Magnetoelectric measurements have shown that the use of titanium dioxide instead of PZT under appropriate planarization modes can increase the low-frequency magnetoelectric effect to 5 mV/(cm∙Ое), compared with structures with a sputtering planarizing layer of PZT, where the magnitude of the low-frequency magnetoelectric effect is 2 mV/(cm∙Оe). These results allow us to improve the characteristics of these structures when used as sensitive elements in devices for formation – processing of information and magnetic field sensors based on the magnetoelectric effect.С помощью метода ионно-лучевого распыления – осаждения получены слоистые мультиферроики Co/ЦТС (ЦТС – сегнетоэлектрическая керамика на основе цирконата титаната свинца состава PbZr0,45Ti0,55O3 с термостабильным плоскопараллельным интерфейсом сегнетоэлектрик/ферромагнетик), обладающие воспроизводимыми низкочастотными магнитоэлектрическими характеристиками при комнатной температуре. Методом растровой электронной микроскопии (РЭМ) поперечного сечения исследована граница раздела слоя кобальта толщиной до нескольких микрометров с толстой керамической подложкой цирконата – титаната свинца. Показано, что использование барьерного слоя диоксида титана TiO2 вместо ЦТС позволяет добиться улучшения качества интерфейса за счет уменьшения длительности ионно-лучевой планаризации сегнетоэлектрической подложки, а также исключить образование промежуточных химических соединений. На основе данных рентгенофазового анализа (РФА) сделан вывод об аморфности слоя TiO2, который по сравнению с кристаллическим позволяет более равномерно, без искажений, передавать внутренние напряжения, возникающие между сегнетоэлектрической подложкой и ферромагнитным слоем. Это приводит к более эффективному магнитоэлектрическому взаимодействию и значительному по величине (в единицы – десятки мВ/А) низкочастотному магнитоэлектрическому эффекту при комнатной температуре. Магнитоэлектрические измерения показали, что использование диоксида титана вместо ЦТС при соответствующих режимах планаризации приводит к увеличению низкочастотного магнитоэлектрического эффекта до 5 мВ/(см ∙Э) по сравнению со структурами с напылением планаризующего слоя ЦТС, где величина данного эффекта составляет 2 мВ/(см ∙Э). Эти результаты позволяют улучшить характеристики указанных структур при использовании в качестве чувствительных элементов в устройствах формирования – обработки информации и датчиков магнитного поля на основе магнитоэлектрического эффекта

Ultrafast transport and relaxation of hot plasmonic electrons in metal-dielectric heterostructures

Owing to the ultrashort timescales of ballistic electron transport, relaxation dynamics of hot nonequilibrium electrons is conventionally considered local. Utilizing propagating surface plasmon-polaritons (SPs) in metal-dielectric heterostructures, we demonstrate that both local (relaxation) and nonlocal (transport) hot electron dynamics contribute to the transient optical response. The data obtained in two distinct series of pump-probe experiments demonstrate a strong increase in both nonthermal electron generation efficiency and nonlocal relaxation timescales at the SP resonance. We develop a simple kinetic model incorporating a SP excitation, where both local and nonlocal electron relaxation in metals are included, and analyze nonequilibrium electron dynamics in its entirety in the case of collective electronic excitations. Our results elucidate the role of SPs in nonequilibrium electron dynamics and demonstrate rich perspectives of ultrafast plasmonics for tailoring spatiotemporal distribution of hot electrons in metallic nanostructures

Surface Plasmon-Mediated Nanoscale Localization of Laser-Driven sub-Terahertz Spin Dynamics in Magnetic Dielectrics

We report spatial localization of the effective magnetic field generated via the inverse Faraday effect employing surface plasmon polaritons (SPPs) at Au/garnet interface. Analyzing both numerically and analytically the electric field of the SPPs at this interface, we corroborate our study with a proof-of-concept experiment showing efficient SPP-driven excitation of coherent spin precession with 0.41 THz frequency. We argue that the subdiffractional confinement of the SPP electric field enables strong spatial localization of the SPP-mediated excitation of spin dynamics. We demonstrate two orders of magnitude enhancement of the excitation efficiency at the surface plasmon resonance within a 100 nm layer of a dielectric garnet. Our findings broaden the horizons of ultrafast spin-plasmonics and open pathways toward nonthermal opto-magnetic recording on the nanoscale