Etude des couches nanométriques de GaMnAs par résonance ferromagnétique

Ferromagnetic resonance investigation of GaMnAs nanometric layers

• Auteur / Autrice : Khashayar Khazen
• Direction : Hans Jurgen von Bardeleben
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des solides
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Paris 6

Mots clés

Mots clés libres

Résonance ferromagnétique [FMR]

Spintronics

Electronique de spin

FMR [Résonance ferromagnétique]

DMS [Diluted Magnetic Semiconductors]

GaMnAs

EPR Electron Paramagnetic Resonance]

RPE [Résonance Paramagnétique Electronique]

Swr

Résumé

Cette thèse est dédiée à l’étude des propriétés magnétiques des couches nanométriques de GaMnAs par Résonance ferromagnétique (RFM). Trois séries des échantillons sont étudiées afin d' élucider l’influence des contraintes, la concentration des trous et la concentration de manganèse, sur les propriétés magnétiques de GaMnAs. Dans la première série, les échantillons de Ga1-xMnxAs avec x=0. 07 déposés sur les substrats de GaAs (en compression) et GaInAs (en extension) sont étudiés. Les résultats des mesures de l’aimantation, la résistivité et l’effet de Hall sont présentés. Les axes faciles de l’aimantation et le type d’anisotropie sont déterminés par mesures RFM. Les variations angulaires des spectres RFM sont étudiées en détails et le facteur g, la température de Curie et les constantes d’anisotropie sont déterminées en fonction de la température. La résonance des ondes de spin sont également observées et interprétées. Les observations sont comparées aux modèles phénoménologiques proposés et le spin stiffness et l’intégrale d’échange entre les ions de manganèse sont déduits. La deuxième étude concerne une série des échantillons de GaMnAs avec même niveau de dopage de Mn de 7% concentration atomique dont les concentrations de trous étaient variées via la passivation par l’hydrogène. Les concentrations des trous sont déduites des mesures d’effet Hall sous la condition de forts champs appliqués et à très basses températures. Les concentrations de trous mesurés correspondent aux différents régimes de conductivités ; de régime isolant aux régimes bande d’impureté et métallique. Les échantillons sont caractérisés par magnétométrie SQUID et les mesures de résistivité. L’aimantation en fonction de la concentration de trous est comparée aux prédictions du modèle RKKY. Les mesures de ERDA sont appliquées à la fin de déterminer la concentration de hydrogène dans l’échantillon ferromagnétique avec la concentration de trous la plus faible dans la série. La structure des domaines de cet échantillon est étudiée par microscopie magnéto-optique d’effet Kerr. Les spectres RFM sont analysés en détail et la concentration de trous correspondant à la formation de l’ordre ferromagnétique est estimée à 1019cm-3. Les facteurs g dépendent de la concentration de trous et la température. La relation entre les facteurs g et les polarisations de trous des échantillons calculées théoriquement est présentée. L’étude d’anisotropie des échantillons est fournie la détermination des constantes d’anisotropie magnétocrystallines en fonction de la concentration de trous et la température. Leurs variations sont comparées aux modèles théoriques. Les surfaces d’énergie sont déduites des constantes d’anisotropie magnétocrystallines mesurées, sont calculées en fonction de l’aimantation et les orientations et les grandeurs du champ appliqué. L’influence d’augmentation du niveau de dopage, de 7% à 21% concentration atomique est étudiée dans la troisième série des échantillons. Contrairement des prédictions théoriques, la température de Curie n’est pas augmentée en dessous de 180K. Les paramètres de RFM sont comparés à ceux des échantillon standard de GaMnAs avec 7% concentration atomique de Mn. La raison est attribuée au haut niveau de la compensation magnétique. Les mesures sont également comparées aux prédictions théoriques basées sur les approximations de champ moyen. La relaxation de l’aimantation est étudiée en fonction des contraintes, la concentration de trous et Mn aussi bien que la température. Les constantes de damping, sont trouvées d’être anisotropes. Cette anisotropie, dépend fortement aux procès dont contribution est la dominante pour une configuration particulaire du système

This thesis is dedicated to the study of the magnetic properties of GaMnAs nanometric layers by the ferromagnetic resonance (FMR) technique. Three series of samples have been studied to investigate independently the influence of the strain, the hole concentration and the Mn concentration on the magnetic properties of GaMnAs. In the first series, the Ga1-xMnxAs samples with x=0. 07, grown on GaAs (compressive strain) and GaInAs (tensile strain) substrates are studied. The results of magnetization, resistivity and Hall effect measurements are presented. From the FMR measurements the easy axes of magnetization and the type of magnetic anisotropy are determined. The angular variations of the FMR spectra are studied in detail and the g-factor, Curie temperature and the magnetocrystalline anisotropy constants are determined as function of temperature. Spin wave resonance were equally observed and interpreted. The observations are compared to the proposed phenomenological models and the spin stiffness and the exchange integral between the Mn ions are deducedThe second study concerns a series of GaMnAs samples with the same Mn doping level of 7% atomic concentration in which the hole concentrations was varied via a hydrogen passivation technique. The hole concentrations are deduced from Hall effect measurements in high fields and low temperatures. The measured hole concentrations correspond to different conductivity regimes from insulating to impurity band and metallic regimes. The samples are characterized by SQUID magnetometry and resistivity measurements. The magnetization as a function of hole concentration is compared to the predictions of the RKKY model. ERDA measurements are performed to determine the concentration of hydrogen in the ferromagnetic sample with the lowest hole concentration. The domain structure of this samples is investigated by magneto-optical Kerr effect microscopy. The FMR spectra are analyzed in details and the hole concentration corresponding to the onset of ferromagnetism is estimated to 1019cm-3. The g-factors depend on the hole concentration and temperature. The relation between the g-factors and the theoretically calculated hole polarization of the samples is presented. The anisotropy studies of the samples have provided the investigation of the magnetocrystalline anisotropy constants as a function of the hole concentration and the temperature. Their variations are compared to the theoretical models. The energy surfaces deduced from the measured magnetocrytalline anisotropy constants are calculated as a function of magnetization and applied field orientations and magnitudes. The influence of increasing the doping level from 7% to 21% atomic concentration is studied in the third series of samples. Contrary to the theoretical predictions, the critical temperature is not increased above 180K. The FMR parameters are compared to those of standard GaMnAs sample doped with 7%atomic concentration of Mn. The reason for no further increase in TC is attributed to high level of magnetic compensation. The measurements are also compared to the theoretical predictions based on the mean field approximations. The relaxation of the magnetization is studied as a function of strain, hole concentration, Mn concentration as well as temperature. The damping constants were found to be anisotropic. This anisotropy however depends strongly on the process whose contribution is dominant for a specific configuration of the system.