Magneto-optical investigations of EuS/Co and EuS/Ni multilayers for spintronic applications

Abstract

The field of spintronics is in the focus of current research. One of the aims of spintronics is the generation of spin-polarised currents and their successful injection into semiconductors. Different materials are currently investigated regarding their feasibility for spintronics, among them ferromagnetic semiconductors. Europium sulfide (EuS) is such a ferromagnetic semiconductor with a large magnetic moment of 7 µB below its TC of 16.5 K. EuS is investigated in EuS/Co and EuS/Ni multilayers in this thesis. The multilayer growth is studied by x-ray-reflectivity (XRR) and transmission electron microscopy (TEM). The magnetic properties are investigated using x-ray magnetic circular dichroism (XMCD) and polar magneto-optical Kerr effect (pMOKE). XMCD measurements show an antiferromagnetic coupling between EuS and Co (Ni) at 5 K and at room temperature. The antiferromagnetic coupling is attributed to ferromagnetic ordering within the EuS layers. This corresponds to a large Tc enhancement of EuS and is attributed to a polarisation effect of Co and Ni in the multilayers. The polarization effect is stronger in EuS/Co multilayers. However, trivalent Eu is also found in EuS/Co multilayers, which is unwanted due to its paramagnetism. EuS/Ni multilayers show a largely decreased amount of trivalent Eu, which is attributed to better growth between EuS and Ni. The antiferromagnetic coupling is also resolved by pMOKE at room temperature. The growth of EuS on InP and InAs is studied by Auger electron spectroscopy (AES), low energy electron diffraction (LEED) and TEM. EuS grows epitaxially on both substrates. Layers grown on InAs show a higher quality. First spin-injection measurements of the EuS/Co system on a spin-LED show successful Spin-injection. At 8 K a degree of circular polarisation of about 5% is achieved. These measurements are the first of their kind and show the feasibility of spin-injection from the system EuS/Co.

Das Forschungsgebiet der Spintronik wird in der aktuellen Wissenschaft eingehend untersucht. Das Ziel der Spintronik ist dabei unter anderem die Erzeugung von spinpolarisierten elektrischen Strömen und deren erfolgreiche Injektion in Halbleiter. Verschiedene Materialien werden aktuell bezüglich ihrer Nutzbarkeit für Spininjektion untersucht, unter anderem magnetische Halbleiter. Das Material Europiumsulfid (EuS) ist ein solcher magnetischer Halbleiter, welcher unterhalb seines Tc von 16.5 K ein hohes magnetisches Moment von 7 µB aufweist. In dieser Arbeit wird EuS in EuS/Co und EuS/Ni Multischichten untersucht. Dabei wird das Wachstum der Multischichten mittels Röntgenbeugung (XRR) und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) untersucht. Die magnetischen Eigenschaften werden mittels zirkularem Röntgendichroismus (XMCD) und polarem magnetooptischen Kerr Effekt (pMOKE) untersucht. Die XMCD Messungen zeigen eine antiferromagnetische Kopplung zwischen EuS und Co (Ni) bei 5 K sowie bei Raumtemperatur. Diese antiferromagnetische Kopplung wird auf eine magnetische Ordnung innerhalb des EuS zurückgeführt. Dies entspricht einer starken Tc Erhöhung von EuS und wird auf einen Polarisationseffekt durch Co und Ni in den Multischichten erklärt. Der Polarisationseffekt ist dabei stärker in den Multischichten mit Co. Allerdings weisen diese auch die Präsenz von trivalentem Eu auf, welches aufgrund seines Paramagnetismus unerwünscht ist. Multischichten von EuS/Ni zeigen eine deutliche Reduktion von trivalentem Eu, was auf das bessere Wachstum zwischen EuS und Ni zurückgeführt wird. Die antiferromagnetische Kopplung kann ebenfalls durch pMOKE Messungen bei Raumtemperatur nachgewiesen werden. Wachstumsstudien von EuS auf den Substraten InP und InAs werden mittels Auger Elektronenspektroskopie (AES), niederenergetischer Elektronenbeugung (LEED) und TEM durchgeführt. EuS wächst epitaktisch auf beiden Substraten, wobei die Schichten auf InAs eine höhere Qualität aufweisen. Erste Spininjektionsmessungen des Systems EuS/Co auf Spin{LEDs zeigen eine erfolgreiche Spininjektion bei 8 K, wobei das emittierte Licht einen Polarisationsgrad von ca. 5% aufweist. Diese Messungen stellen die ersten ihrer Art dar und zeigen die prinzipielle Eignung des System EuS/Co zur Spininjektion.