In dieser Arbeit werden experimentelle und theoretische Studien über DC und AC Magnetotransportphänomene an Ferromagnet (FM)/Halbleiter (HL)-Hybridstrukturen behandelt:
zuerst Spintransport-Effekte in FM/HL/FM Hybridstrukturen, dann der Spannungsabfall über eine nichtmagnetische Metall (NM)/FM/HL-Hybridstruktur unter Einstrahlung von Mikrowellen. Simulationen der Spin-Bahn Wechselwirkung im HL und von spinpolarisiertem Transport durch Hybridstrukturen werden vorgestellt. Die Simulationen tragen zum Verständnis der Messdaten bei. Dann wird über Magnetotransportexperimente an einer Co/InAs (2DES)/Co-Hybridstruktur berichtet, wobei die InAs-Heterostruktur ein zweidimensionales Elektronensystem (2DES) enthält. Die Probe basiert auf fortlaufender Optimierung der Reinheit und Glattheit der Grenzflächen. Das Konzept beinhaltet die Vorhersage von D. Grundler, nach der an FM/InAs Grenzflächen ein Spinfilter-Effekt auftritt und die Realisierung von ballistischem Transport. Für die Präparation der Proben wurden neuartige Methoden entwickelt um FM/HL Grenzflächen unter Hochvakuumbedingungen herzustellen. Darüber hinaus werden Prozesse zur Mikro- und Nanostrukturierung von Metallfilmen auf Spaltkanten beschrieben. In unserer Probe wird ein gatespannungsabhängiger Spinventil-Effekt beobachtet. Die Signalstärke ist jedoch weit geringer als erwartet. Gründe hierfür werden angeführt.
Im zweiten Teil werden Experimente an NM/FM/2DES-Strukturen unter Mikrowellenbestrahlung vorgestellt. Die ferromagnetische Resonanz (FMR) des 20 nm dicken, polykristallinen Co-Films wird als Funktion eines angelegten Magnetfelds gemessen. Dazu wird die Magnetisierung mithilfe von Mikrowellen zur Präzession angeregt und deren Absorption induktiv bestimmt. Die FMR-Signatur deutet auf eine magnetische Anisotropie hin. Es gibt Anzeichen für eine magnetisch leichte Achse senkrecht zum Film. Dann werden Spannungsmessungen an einem Al/Co/InAs (2DES) Bauteil vorgestellt. Bei resonanter Präzession der Magnetisierung im Co-Film wird ein charakteristisches Spannungssignal beobachtet. Dieses ändert sein Vorzeichen, wenn das angelegte Magnetfeld die Anisotropiefeldstärke erreicht. Drei Modelle werden diskutiert. Als vielversprechend wird das Modell einer mikrowelleninduzierten Photospannung erachtet. Das Modell wurde erweitert und an unsere Probengeometrie angepasst.
In this work experimental and theoretical studies on dc and ac magnetotransport phenomena in ferromagnet (FM)/semiconductor (SC) hybrid structures are presented:
first, spin transport effects in FM/SC/FM hybrid structures, second the dc voltage drop across a nonmagnetic metal (NM)/FM/SC hybrid structure under microwave irradiation. We present simulations of the spin-orbit coupling in SC and of spin polarized transport in hybrid structures. These simulations are important to understand our experimental results. Then we report on magnetotransport experiments on a Co/InAs (2DES)/Co hybrid structure, where the InAs-based heterostructure incorporates a two-dimensional electron system (2DES). The device is based on a successively optimized sample design with the goal to prepare clean and flat FM/SC interfaces. The concept started from the prediction of a spin filter effect at FM/InAs interfaces by D. Grundler and the challenge to realize a ballistic transport regime. The sample preparation includes novel techniques to create FM/SC interfaces fully in situ by a cleaved-edge overgrowth process. Further we present the procedures we developed to pattern a metallic film on the cleaved edge of a SC on the micrometer and nanometer scale. In our device we find a gate voltage dependent spin-valve effect. However the signal strength is far smaller than predicted. Reasons for this are discussed.
In the second part we present experiments on a NM/FM/2DES hybrid structure under microwave irradiation. We characterize the ferromagnetic resonance (FMR) frequencies of the 20 nm thick polycrystalline Co film as a function of an applied magnetic field. For this we excite a precession of the magnetization using a microwave and detect the absorption inductively. The FMR signature indicates a magnetic anisotropy. We provide evidence that the magnetic easy axis points perpendicular to the film plane. Then, data of the measured voltage across the Al/Co/InAs (2DES) device are presented. For a resonantly precessing magnetization of the Co film we observe a characteristic voltage signal. It changes sign if the applied magnetic field strength equals the anisotropy field. The data are discussed using three independent models. Most promising to explain our findings is the model of a rf induced photovoltage, which we recalculated in order to adapt it to our device geometry.