Magnetotransport Studies of Mn Ion-Implanted Nanowires

Sammanfattning: Popular Abstract in Swedish Den pågående trenden att alltmer digital information skapas och lagras av ett ständigt ökande antal människor över hela världen driver på den formidabla utveckling vi idag ser av elektroniska apparater som t.ex. läsplattor, bärbara datorer och smartphones. För att möjliggöra en fortsatt utveckling i samma takt, krävs tillgång till nya typer av halvledarkomponenter och kretsar. Spinntronik är ett högaktuellt exempel som under senare år utvecklats till ett mycket intensivt forskningsområde. Det övergripande målet med denna forskning är att skapa nya typer av funktionella komponenter och kretsar som inte bara utnyttjar elektronernas laddning, utan också en annan fundamental egenskap hos elektroner som kallas spinn. I en enkel bild kan spinnet tänkas som en rotation av elektronen kring sin egen axel. Elektronen kan rotera med- eller moturs, vilket då brukar sägas svara mot spinn upp eller ned. Det finns ett naturligt samband mellan spinn och magnetism. En annan trend i modern elektronikutveckling är den fantastiska nedskalningen av komponenters storlek till en nanoskala. Denna avhandling berör tillverkning, dopning och karakterisering av elektriska och magnetiska egenskaper hos ett av dom mest intressanta nanomaterialen för just framtidens elektronik - magnetiska nanotrådar. De nanotrådar som studeras är tillverkade av galliumarsenid i en ”bottom-up” process från små guldpartiklar som katalyserat växten av nanotrådarna. För att göra magnetiska halvledare i bulkform eller i tunna skikt, dopar/legerar man typiskt galliumarsenid med grundämnet mangan. Mangan tillför på samma gång både magnetiska moment (spinn) och laddningsbärare som förmedlar en magnetisk koppling mellan spinnen. Tyvärr låter inte denna legeringsprocess sig göras på ett enkelt sätt i nanotrådar eftersom manganatomerna klumpar ihop sig på ett oönskat sätt. För att dopa/legera nanotrådarna med mangan har vi därför utvecklat en ny metod där manganjoner skjuts in i nanotrådarna (så kallad jon-implantering). Efter kristallväxten överförs nanotrådarna mekaniskt till ett elektronmikroskop för struktur- och sammansättningsanalys, alternativt till ett isolerat kiselsubstrat där de förses med avancerade kontakter för elektrisk och magnetisk karakterisering. Nanotrådar av hög kristallin kvalitet med upp till 5% mangan har för första gången tillverkats med denna metod. Omfattande studier har gjorts av de mekanismer som styr strömtransporten i dessa implanterade nanotrådar. Vi har demonstrerat att den dominerande transportmekanismen är olika typer av s.k. ”hopping”-processer där laddningsbärare fysiskt hoppar mellan olika diskreta lokaliserade defekter i trådarna. Denna typ av transportmekanismer är typisk för oordnade material. För nanotrådarna uppkommer denna oordning framför allt i samband med implanteringen av manganjonerna. Vi har utvecklat en modell där resistansens beroende på temperatur och magnetfält kan förstås i termer av magnetisk växelverkan mellan det pålagda magnetfältet och manganatomernas spinn, såväl som växelverkan mellan dessa spinn och spinnet hos laddningsbärarna. Den sistnämnda växelverkan resulterar i intressanta magnetiska ”bubblor” som kallas polaroner. Under inverkan av ett magnetfält uppvisar nanotrådarna typiskt en negativ magnetoresistans, d.v.s. resistansen sjunker med ökande fältstyrka. Detta fenomen har sitt ursprung i att sannolikheten för ”hopping”-processer beror på den relativa orienteringen mellan spinnet hos laddningsbärarna och manganatomernas spinn. Med ökat magnetfält linjeras dessa spinn upp, vilket ökar den effektiva rörligheten hos laddningsbärarna vilket i sin tur resulterar i en lägre resistans. En maximal negativ magnetoresistans på cirka 85% har uppmätts vid låga temperaturer och höga magnetfält. De magnetiska trådar som studerats här har inte tillräckligt hög koncentration av laddningsbärare för att uppvisa ferromagnetism (d.v.s. att hela tråden beter sig som en magnet), framför allt beroende på defekter som skapas vid implanteringen. I den sista artikeln visar vi att implantering av mangan i nanotrådar där mängden laddningsbärare ökats genom att tillföra grundämnet zink vid växten resulterar i en svag ferromagnetism. Denna strategi lovar gott för den övergripande målsättningen med projektet att tillverka ferromagnetiska nanotrådar där en kontakt runt en nanotråd kontrollerar koncentrationen av laddningsbärare, och därmed möjliggör tillverkning av elektriskt styrda magnetiska halvledarbaserade nanostrukturer kompatibla med kiselteknologi.