Influence of External Hydrostatic Pressure and Epitaxial Strain on Magnetic and Transport Properties of Thin GaMnAs Films

(Ga,Mn)As jako typowy przykład półprzewodnika półmagnetycznego jest rozważany jako potencjalny kandydat na materiał do zastosowań spintronicznych. Jednakże pomimo licznych doświadczalnych i teoretycznych prac poświęconych tej tematyce, wiele kwestii pozostaje wciąż niewyjaśnionych. Stąd potrzeba nowych eksperymentalnych danych. W niniejszej rozprawie doktorskiej przedstawiono wyniki pomiarów przeprowadzonych na serii próbek Ga1-xMnxAs z zawartością manganu x ≈ 6-7 %. Próbki zostały wyhodowane niskotemperaturową techniką epitaksji z wiązki molekularnej. Część warstw wyhodowano na buforze Ga1-yInyAs o różnej zawartości indu (y = 12 – 30%), a część bezpośrednio na podłożu GaAs. W badaniach koncentrowano się na magnetycznych i magnetotransportowych właściwościach próbek, takich jak anizotropia oraz temperatura krytyczna TC przejścia fazowego paramagnetyk-ferromagnetyk. W pracy zaprezentowano pomiary oporu oraz namagnesowania w funkcji zewnętrznego pola magnetycznego oraz temperatury. Analiza przeprowadzona w oparciu o rozszerzony model Stonera-Wolfartha pozwoliła wyznaczyć parametry anizotropii magnetycznej badanych próbek. Wyznaczono zarówno parametry opisujące anizotropię pozapłaszczyznową jak i anizotropię w płaszczyźnie. Na szczególną uwagę zasługują wyniki uzyskane dla próbki z silnym naprężeniem epitaksjalnym wywołanym przez bufor Ga0.7In0.3As z dużą zawartością indu. Niedopasowanie sieciowe równe 2% jest istotnie większe niż w badanych dotychczas próbkach tego typu. Pozwoliło to zwiększyć anizotropię magnetyczną próbki i osiągnąć pole anizotropii równe 2 T. Dla jednej z warstw GaMnAs wyhodowanych bezpośrednio na podłożu GaAs zaobserwowano niemonotoniczną zależność pola anizotropii w funkcji temperatury, Główna część pracy skupiona jest wokół pomiarów magnetotransportowych GaMnAs pod wysokim ciśnieniem hydrostatycznym. Badania przeprowadzono dla dwóch próbek wyhodowanych na buforze GaInAs. Dla obu zaobserwowano wzrost temperatury krytycznej TC wywołany ciśnieniem i równy około 2 K na 1 GPa. Porównują uzyskane wyniki z wcześniej otrzymanymi (dla próbek bez bufora GaInAs) zauważono, że wzrost TC jest tym większy im wyższa jest wyjściowa temperatura krytyczna w ciśnieniu normalnym. W celu wyznaczenia temperatur krytycznych użyto czterech różnych metod. Porównanie wyników otrzymanych każdą z nich pozwoliło zauważyć, że metoda bazująca na pochodnej oporu po temperaturze nie daje dobrych rezultatów dla próbek z niską TC i tym samym nie jest uniwersalna. Wyznaczono także zmiany stałych anizotropii (pozapłaszczyznowej oraz w płaszczyźnie) w funkcji zewnętrznego ciśnienia hydrostatycznego. Badania przeprowadzono dla dwóch próbek o znacząco różnej anizotropii. Dla jednej z nich osią łatwą była oś prostopadła do płaszczyzny próbki, dla drugiej oś leżąca w płaszczyźnie próbki. Zewnętrzne ciśnienie wywołało wzrost pola anizotropii o 10% ± 5% na 1 GPa dla obu próbek. Badania anizotropii próbek GaMnAs w ciśnieniu hydrostatycznym nie były wcześniej wykonywane. Wykonano także pomiary oporu w funkcji zewnętrznego pola magnetycznego. Zaobserwowano anomalie magnetooporu o złożonej strukturze, na przykład wąskie maksimum otoczone przez płytkie minima bądź wiele maksimów położonych blisko siebie. Za pomocą symulacji komputerowych przepływu prądu i rozkładu potencjału na próbce wyjaśniono pochodzenie złożonych anomalii jako związane z przemagnesowywaniem się próbki. Metoda elementów skończonych pozwoliła powiązać złożoną strukturę pików ze strukturą domenową, odtwarzając teoretycznie kształt zaobserwowanych anomalii. Zaimplementowany algorytm może być z powodzeniem użyty do rozwiązania innych problemów wymagających rozważania przepływu prądu przez niejednorodną próbkę w polu magnetycznym. Podsumowując, w niniejszej pracy uzyskano nowe wyniki doświadczalne. Pomiary temperatury krytycznej oraz anizotropii magnetycznej w warunkach wysokiego ciśnienia hydrostatycznego stanowią oryginalny wkład do badań w zakresie warstw GaMnAs i tym samym mogą się przyczynić do głębszego zrozumienia fizyki półprzewodników półmagnetycznych i opisujących je modeli.(Ga,Mn)As is a diluted magnetic semiconductor, which is considered as material for possible spintronics applications. However, in spite of many experimental and theoretical papers, there are still a lot of open questions. Its why new experimental data are necessarily. In this PhD thesis study of series of Ga1-xMnxAs samples with manganese content x ≈ 6-7 % was performed. Samples, grown by low-temperature Molecular Beam Epitaxy, were prepared on GaAs or on Ga1-yInyAs buffer with different indium content (y = 12 – 30%). Magnetic and magnetotransport properties like anisotropy and paramagnetic-ferromagnetic phase transition temperature (TC) were investigated. The results of the measurements of resistivity and magnetization as a function of external magnetic field are presented. The analysis of the data allowed to find the anisotropy parameters (in-plane and out-of-plane one) and their changes as a function of temperature. Experimental data were analyzed theoretically by means of the upgraded Stoner-Wolfarth model. Results obtained for samples with high epitaxial strain (grown on Ga0.7In0.3As buffer with very high indium content) are especially interesting. The buffer provided a 2% lattice mismatch, which is an important extension to mismatch ranges studied up to now. The resulting anisotropy fields is very high in this case and reaches 2 T. For GaMnAs sample without buffer nonmonotonic relation between anisotropy field and temperature was observed. The main part of the thesis consists of magnetotransport investigation of GaMnAs under hydrostatic pressure. Two samples with GaInAs buffer were studied in details. For both an increase of critical temperature (TC) of about 2 K per 1 GPa was observed. Moreover, there is trend that the higher the T¬C under normal condition, the bigger increase of TC triggered by pressure. In order to determine TC four different methods were used. The comparison of the results obtained by all is performed, leading to a conclusion that a method basing on derivative of resistivity versus temperature is not universal. The in-plane and out-of-plane anisotropy parameters were determined as a function of hydrostatic pressure for two samples with different epitaxial strain: one with magnetic easy axis perpendicular to the sample plane and the other with easy axis parallel to the plane. Application of external hydrostatic pressure increased anisotropy parameters by about 10% ±5% per 1 GPa for both samples. The anisotropy investigations of GaMnAs under hydrostatic pressure have never been done before. Measurements of resistance as a function of magnetic field revealed anomalies with a complex magnetic field dependence, for example a narrow maximum accompanied by side minima or several maxima. As shown by means of computer simulations of a current flow and potential distribution in the sample, those anomalies can be ascribed to magnetization switching. Finite elements method was used assuming a complex magnetic domain structure. The specific shape of the domain structure, allows to obtain a correct description of the complex shape of the anomalies. The implemented algorithm can be used to numerically address problems of magnetotransport properties of inhomogenous samples. To sum up, new, experimental data were obtained. TC and magnetic anisotropy investigations under pressure is an original contribution to the current experimental knowledge of the GaMnAs layers. Possibly, it will help to understand diluted magnetic semiconductor properties and to verify the underlying theories