Untersuchungen zur Löslichkeit von Kobalt und Eisen in TiO 2-Bulk sowie in TiO 2-Nanoproben und deren Einfluss auf die magnetischen Eigenschaften

Co- und Fe-dotierte Rutil- und Anatas-Bulkproben wurden über einen Sol-Gel Prozess und anschließende thermische Behandlung dargestellt und auf ihre Zugehörigkeit zu der Gruppe der verdünnten magnetischen Oxide untersucht. Die Untersuchungen der dotierten Rutil-Proben mittels Röntgenbeugung, Elektronenmikroskopie und magnetischen Methoden zeigen, dass die Löslichkeit von Co und Fe in der TiO2-Modifikation Rutil sehr gering ist. Oberhalb von 1at% Co bzw. Fe wird neben Rutil die Bildung der Oxide CoTiO3 bzw. Fe2TiO5 beobachtet. Weitere thermische Behandlung im Argon-H2-Strom führte aufgrund der Bildung von metallischem Co bzw. Fe zu einem ferromagnetischen Verhalten. Die TiO2-Modifikation Anatas besitzt eine höhere Löslichkeit, so dass erst oberhalb von 4at% Co bzw. 10at% Fe die Phasen Co3O4 bzw. FeTiO3 neben Anatas auftreten. Entsprechende Proben zeigen ein paramagnetisches Verhalten. Oberhalb der Löslichkeitsgrenze führt die Reduktion im Argon-H2-Strom zu einem ferromagnetischen Verhalten, welches auf metallisches Co bzw. Fe zurückzuführen ist. Analog zu den Bulkproben wurden Co- und Fe-dotierte TiO2-Nanodrähte hergestellt. Das magnetische Verhalten der Fe-dotierten TiO2-Nanodrähte entspricht dem der Fe-dotierten Anatas-Bulkproben. Dagegen führt die Co-Dotierung nicht zu einem Einbau in die TiO2-Nanodrähte, sondern zur Bildung von CoOx-Nanopartikeln. Die entsprechenden Proben zeigen ein schwach ferromagnetisches Verhalten. Dies ist jedoch nicht auf eine ferromagnetische Dotierung der TiO2-Nanodrähte zurückzuführen, sondern auf nicht kompensierte Momente an den Oberflächen der als Verunreinigungen auftretenden CoOx-Nanopartikel. Zusammenfassend wird festgestellt, dass die Löslichkeit von Co und Fe in TiO2 für die Ausbildung eines ferromagnetischen Verhaltens zu gering ist. Der beobachtete Ferromagnetismus lässt sich eindeutig auf magnetische Verunreinigungen zurückführen. Somit können die dotierten TiO2 Proben nicht den verdünnten magnetischen Oxiden zugeordnet werden.

Cobalt dotiertes ZnO als verdünnter magnetischer Halbleiter

Verdünnte magnetische Halbleiter (DMS) sind technologisch vielversprechende Materialien mit sowohl ferromagnetischen als auch halbleitenden Eigenschaften. Sie gehören zu den entscheidenden Verbindungen bei der Entwicklung neuartiger Spintronikanwendungen. Bisher scheiterte der technologische Einsatz jedoch daran, dass die Curie Temperatur der meisten magnetischen Halbleiter viel zu niedrig ist. Neue Verbindungen auf Basis von ZnO wie Zn1-xCoxO sollen jedoch Ferromagnetismus oberhalb von Raumtemperatur zeigen. Die theoretischen Grundlagen der magnetischen Wechselwirkungen sind jedoch nicht verstanden und erfordern daher umfangreiche experimentelle Untersuchungen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden dünne Filme aus Zn0.95Co0.05O mittels Laserablation hergestellt und bezüglich ihrer magnetischen, elektrischen und strukturellen Eigenschaften untersucht, mit dem Ziel den Ferromagnetismus in diesem Material besser zu verstehen. Dabei kamen verschiedene experimentelle Methoden zum Einsatz: wie Magnetometrie, Röntgendiffraktometrie, Magnetischer Röntgenzirkulardichroismus (XMCD), Elektronenspinresonanz sowie magnetoelektrische Transportmessungen. Bei entsprechend defektfördernden Herstellungsbedingungen zeigen die Proben klare ferromagnetische Eigenschaften oberhalb von Raumtemperatur mit einer Sättigungsmagnetisierung von ca. 2 Bohr Magneton / Co sowie einer Remanenz von bis zu 90%. Elektrische Transportmessungen zeigen zudem einen deutlichen Magnetowiderstand sowie einen anomalen Hall Effekt. Letzterer steigt mit der Probenmagnetisierung und spricht für intrinsischen Ferromagnetismus sowie eine geringe Spinpolarisation. Da der Ferromagnetismus mit höherer Ladungsträgerdichte jedoch verschwindet, ist eine ferromagnetische Wechselwirkung über die Leitungselektronen auszuschließen. Eine genauere Auswertung der magnetoelektrischen Messdaten deutet zudem auf ein leitendes Störstellenband hin, das unter Umständen selbst spinpolarisiert ist. Vieles spricht somit dafür, dass die ferromagnetische Ordnung über magnetische Polaronen zustande kommt. Einige strukturelle und magnetometrische Ergebnisse sowie Elektronenspinresonanzmessungen deuten zudem auf metallische Ausscheidungen in Form von Cobalt Clustern hin, die einen zusätzlichen extrinsischen ferromagnetischen Beitrag liefern, der deutlich größer sein könnte als der intrinsische. Überraschenderweise zeigen XMCD Messungen jedoch, dass Cobalt überhaupt nicht am Ferromagnetismus beteiligt ist. Insgesamt gibt es Anzeichen, dass magnetische Defekte eine entscheidende Rolle hinsichtlich des Magnetismus in Zn0.95Co0.05O spielen.

Ferromagnetism mediated by few electrons in a semimagnetic quantum dot

A (II,Mn)VI diluted magnetic semiconductor quantum dot with an integer number of electrons controlled with a gate voltage is considered. We show that a single electron is able to induce a collective spontaneous magnetization of the Mn spins, overcoming the short range antiferromagnetic interactions, at a temperature order of 1 K, 2 orders of magnitude above the ordering temperature in bulk. The magnetic behavior of the dot depends dramatically on the parity of the number of electrons in the dot.

Mn-doped II-VI quantum dots: artificial molecular magnets

The notion of artificial atom relies on the capability to change the number of carriers one by one in semiconductor quantum dots, and the resulting changes in their electronic structure. Organic molecules with transition metal atoms that have a net magnetic moment and display hysteretic behaviour are known as single molecule magnets (SMM). The fabrication of CdTe quantum dots chemically doped with a controlled number of Mn atoms and with a number of carriers controlled either electrically or optically paves the way towards a new concept in nanomagnetism: the artificial single molecule magnet. Here we study the magnetic properties of a Mn-doped CdTe quantum dot for different charge states and show to what extent they behave like a single molecule magnet.

High sensitivity detection of radio-frequency modulated magnetic moment in semiconductors

An experimental setup has been realized to measure weak magnetic moments which can be modulated at radio frequencies (similar to 1-5 MHz). Using an optimized radio-frequency (RF) pickup coil and lock-in amplifier, an experimental sensitivity of 10(-15) Am(2) corresponding to 10(-18) emu has been demonstrated with a 1 s time constant. The detection limit at room temperature is 9.3 x 10(-16) Am(2)/root Hz limited by Johnson noise of the coil. The setup has been used to directly measure the magnetic moment due to a small number (similar to 7 x 10(8)) of spin polarized electrons generated by polarization modulated optical radiation in GaAs and Ge. (C) 2011 American Institute of Physics. [doi: 10.1063/1.3654229]

Dynamics of photo-enhanced magneto-crystalline anisotropy in diluted ferromagnetic GaMnAs

By chopping a pump beam in conventional time-resolved Kerr rotation (TRKR) experiments and measuring the time evolution of M-shaped "major" hysteresis loops of magnetic linear dichroism (Delta MLD = MLDpump-on MLDpump-off), the differential MLD signal in the presence and the absence of the pump beam, we studied the dynamics of photo-enhanced magneto-crystalline anisotropy, and found that its very long recovering time (much longer than 13 ns) might reflect the nature of the coherent coupling between photo-excited holes and localized spins in the d shell of manganese.

Magnetoexcitonic optical absorption in semiconductors under strong magnetic fields and intense terahertz radiation in the Voigt configuration

The magnetoexcitonic optical absorption of a GaAs bulk semiconductor driven by a terahertz (THz) field is investigated numerically. The method of the solution of the initial-value problem, in combination with the perfect matched layer technique, is used to calculate the optical susceptibility, with Coulomb interaction, Landau quantization, and THz fields involved nonperturbatively. It shows that there appear replicas and sidebands of magnetoexciton of different Landau levels, which greatly enrich the magneto-optical spectrum in the presence of a driving THz field. Copyright (C) EPLA, 2008.

EFFECTS OF AN EXTERNAL MAGNETIC-FIELD ON SHALLOW DONOR LEVELS IN SEMICONDUCTORS

An extension of Faulkner's method for the energy levels of the shallow donor in silicon and germanium at zero field is made in order to investigate the effects of a magnetic field upon the excited states. The effective-mass Hamiltonian matrix elements of an electron bound to a donor center and subjected to a magnetic field B, which involves both the linear and quadratic terms of magnetic field, are expressed analytically and matrices are solved numerically. The photothermal ionization spectroscopy of phosphorus in ultrapure silicon for magnetic fields parallel to the [1,0,0] and [1,1,1] directions and up to 10 T is explained successfully.

Changing inter-molecular spin-orbital coupling for generating magnetic field effects in phosphorescent organic semiconductors

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

EPR linewidth of local magnetic moments diluted in Ce intermediate-valence compounds

Anomalous thermal behavior on the EPR linewidths has been observed for Gd impurities diluted in CexA1-xBn (A=La,Y, B=Ir,Os,Rh,Pd) intermediate-valence compounds. In this work we show that the exchange interaction between the local magnetic moments and the intermediate-valence host ions has an important contribution to the relaxation rates of the local moments. We calculated the relaxation, using the Redfield formalism and the ideas contained in the interconfigurational fluctuation model of Hirst. We show that the exchange interaction contribution has an exponential dependence on the excitation energy of the intermediate-valence ions. © 1992 The American Physical Society.

Nanostructured copper oxide semiconductors : a perspective on materials, synthesis methods and applications

The oxides of copper (CuxO) are fascinating materials due to their remarkable optical, electrical, thermal and magnetic properties. Nanostructuring of CuxO can further enhance the performance of this important functional material and provide it with unique properties that do not exist in its bulk form. Three distinctly different phases of CuxO, mainly CuO, Cu2O and Cu4O3, can be prepared by numerous synthesis techniques including, vapour deposition and liquid phase chemical methods. In this article, we present a review of nanostructured CuxO focusing on their material properties, methods of synthesis and an overview of various applications that have been associated with nanostructured CuxO.

Optic-phonon-magnetoplasmons at the interface of two polar semiconductors semiconductors

An interface between two polar semiconductors can support a whole new family of seven type of optic-phonon magnetoplasmons. Six of these arise due to nonequivalence property of propagation introduced by the magnetic field in Voigt configuration and one mainly due to finite plasma density ratio at the interface.

Optic phonon-magnetoplasmon surface oscillations in polar semiconductors

An interface between two polar semiconductors in parallel magnetic field geometry can support at most four types of surface oscillations; the actual number (less-than-or-equals, slant4), however, depends on the strength of the magnetic field. The interface effects on these relevant ranges of magnetic field are analysed in detail.

Magnetoplasmon-type surface polaritons at the interface between two semiconductors

Magnetoplasmon-type surface polaritons are studied at the interfaces of sandwich structures in the configuration with a magnetic field oriented parallel to the interface but perpendicular to the direction of wave propagation. It is shown that the propagation window for the surface polaritons is shifted to higher frequencies in the presence of the magnetic field directed positively. On reversal of the magnetic field an additional low frequency propagation band appears. Irrespective of the direction and strength of the magnetic field there exists a certain frequency range in which interface polaritons cannot propagate. For sandwich structures for which the dielectric constant and the plasma frequency of one medium are simultaneously greater or less than those of the second medium gaps and multiple branches can appear in the propagation window either for n > 0 or n <; 0 waves. A graphical method for the estimation of critical ranges of B0 and dielectric constant ratios for different sandwich structures, within which gaps and multiple branches appear, is given