Magneto-optische Untersuchungen des elektrisch induzierten Spintransports und des Laser-induzierten Spin-Seebeck-Transports in n-GaAs

Göbbels, Stefan; Stampfer, Christoph; Güntherodt, Gernot

doi:HT018617985

Magneto-optische Untersuchungen des elektrisch induzierten Spintransports und des Laser-induzierten Spin-Seebeck-Transports in n-GaAs = Magneto-optical investigation of the electrically-induced spin transport and of the laser-induced spin Seebeck transport in n-GaAs

Göbbels, Stefan

2015

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Stefan Göbbels

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2015

UmfangVII, 141 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2015

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Güntherodt, Gernot (Thesis advisor) ; Stampfer, Christoph (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2015-02-06

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-013022
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/464464/files/464464.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/464464/files/464464.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Physik (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Inhalt dieser Promotionsarbeit sind magneto-optische Untersuchungen des elektrisch induzierten Spintransports und des Laser-induzierten Spin-Seebeck-Transports in n-GaAs. Die Arbeit ist Teil des Forschungsprojektes "Spin Caloritronics in III-V-Semiconductors" des DFG-Schwerpunktsprogramms "Spin Caloric Transport" (SPP 1538).Für die Messungen wird sich der orts- und zeitaufgelösten Faraday-Spektroskopie bedient. Hierbei wird eine lokale Spinpolarisation durch ultrakurze Laserpulse erzeugt und über den magneto-optischen Faraday-Effekt zeitverzögert detektiert. Das untersuchte Probensystem n-GaAs mit einer Dotierung von $n = 2 \cdot 10^{16}$ cm$^{-3}$ am Metal-Isolator-Übergang eignet sich optimal für Spintransportmessungen aufgrund der langen Spindephasierungszeiten $\tau_s \geq 100$ ns bei tiefen Temperaturen, die zu großen Spintransportlängen von $\sim 10\,\mu$m führen.Es wird eine Mess- und Analysemethode verwendet, mit der sich die zeitliche Entwicklung der optisch angeregten Spinpolarisation durch die Fourier-Transformation von ortsaufgelösten Magnetfeldmessungen (RSA-Scans) mit sehr hohem, räumlichem Auflösungsvermögen untersuchen lässt und mit der sich die Spindriftgeschwindigkeit $v_s$, die Spindiffusionskonstante $D_s$ und die Spindephasierungszeit $\tau_s$ bestimmen lassen.Der Spintransport im elektrischen Feld zeigt das Ohmsche Transportverhalten $v_s = -\mu_s E$ mit einer Spinmobilität $\mu_s = (1159 \pm 4)$ cm V$^{-1}$ s$^{-1}$ bei $T = 10$ K. Messungen des Spintransports in Abhängigkeit von der Anregungsenergie und von der Anregungsdichte lassen vermuten, dass die Spindrift und -diffusion bei tiefen Temperaturen und intensiver Anregung durch eine starke Elektron-Loch-Wechselwirkung beeinflusst werden. Die Temperaturabhängigkeit des elektrisch induzierten Spintransports erlaubt die erste experimentelle Überprüfung der verallgemeinerten Einstein-Relation für Halbleiter am Metall-Isolator-Übergang bei tiefen Temperaturen.Spin-Seebeck-Transport in n-GaAs wird mit Hilfe eines Laser-induzierten Temperaturgradienten untersucht, welcher zuvor mittels Photolumienszenzmessungen charakterisiert wurde. Während die Spindiffusionskonstante $D_s$ und die Spindephasierungszeit $\tau_s$ anscheinend dominant von der großen, optisch angeregten Elektronen- und Löcherdichte beeinflusst werden, zeigt die Spindriftgeschwindigkeit $v_s$ bei allen Messungen das für Spin-\textsc{Seebeck}-Transport im Laser-induzierten Temperaturgradienten erwartete Verhalten. Insbesondere das gleichzeitige Verschwinden von $v_s$ und des Temperaturgradienten $\frac{dT}{dx}$ bei einer Gittertemperatur von $T = 30$ K untermauert die Schlussfolgerung, dass hier der erste experimentelle Nachweis von lateralem Spin-Seebeck-Transport in einem nicht-magnetischen Halbleiter beobachtet wurde.

The topic of this Ph.D. thesis is the magneto-optical investigation of the electrically-induced spin transport and of the laser-induced spin Seebeck transport in n-GaAs. This work is part of the research project "Spin Caloritronics in III-V-Semiconductors" of the DFG priority programm "Spin Caloric Transport" (SPP 1538).Measurements are performed by spatially and time-resolved Faraday spectroscopy. Here, a local spin polarisation is generated by ultrafast laser pulses and detected via the magneto-optical Faraday effect with variable time delay. The material system under investigation, i.e. n-GaAs doped to the metal-to-insulator transition at $n = 2 \cdot 10^{16}$ cm$^{-3}$, is optimally suited for spin transport experiments due to long spin dephasing times $\tau_s \geq 100$ ns at low temperatures, which result in large spin transport length of $\sim 10\,\mu$m.The measurement and analysis method used in this work allows to study the temporal evolution of the optically generated spin polarisation by Fourier transformation of spatially resolved magnetic field scans (RSA scans) with very high spatial resolution and to determine the spin drift velocity $v_s$, the spin diffusion constant $D_s$ and the spin dephasing time $\tau_s$.Spin transport in an applied electric field shows Ohmic transport behaviour $v_s = - \mu_s E$ with spin mobility $\mu_s = (1159 \pm 4)$ cm V$^{-1}$ s$^{-1}$ at $T = 10$ K. Spin transport measurements in dependence of the excitation energy and of the excitation density indicate that, under intense excitation at low temperatures, spin drift and diffusion are influenced by a strong electron-hole interaction. The temperature dependence of the electrically-induced spin transport shows the first experimental verification of the generalized Einstein relation for semiconductors at the metal-to-insulator transition at low temperatures.Spin Seebeck transport in n-GaAs is investigated with laser-induced temperature gradients, which are characterized by photoluminescence measurements. While the spin diffusion constant $D_s$ and the spin dephasing time $\tau_s$ seem to be dominantly influenced by the large, optically excited electron and hole density, the spin drift velocity $v_s$ shows the expected behaviour for spin Seebeck transport in laser-induced temperature gradients in all the measurements. Particularly, the simultaneous vanishing of $v_s$ and of the temperature gradient $\frac{dT}{dx}$ at a lattice temperature of $T = 30$ K confirms the conclusion that these experiments show the first evidence of lateral spin Seebeck transport in a non-magnetic semiconductor.

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