Magneto-optical study of (Ga,Mn)N and (Zn,Cr)Te
Etude magnéto-optique de (Ga,Mn)N et (Zn,Cr)Te
Résumé
The field of this thesis is the new diluted magnetic semiconductors (DMS) with the possibility
of a high Curie temperature : (Ga,Mn)N and (Zn,Cr)Te. Previous studies have shown in
both compounds the same valence d4 for the transition metal ions, and ferromagnetic properties
(sometimes paramagnetic for (Ga,Mn)N).
A magneto-spectroscopic study on the internal d-d transition of the Mn at 1.4 eV, performed
on low Mn content GaN epilayers, less than 0.1%, allowed us to develop a crystal eld model
for Mn3+ (3d4) including dynamical Jahn-Teller eect. This hypothesis on d4 conguration of
Mn is also valid for higher Mn doping, up to a few %. Moreover, magnetic circular dichroism at
the band gap energy, in agreement with the magnetization measurements, has shown a standard
DMS with a spin-carrier coupling and a paramagnetic behavior. The measured anisotropy is
weaker than the calculated one from the spectroscopic parameters.
Magnetization, magnetic circular dichroism and Hall eect measurements have shown ferromagnetic
properties with a high disorder. In opposition to standard DMS, the dichroism does
not come from the absorption at the band gap edge but from a deep band. The ferromagnetic
state is not induced by carriers but it is carrier sensitive : a p-type conductivity, obtained with
N codoping, suppresses the ferromagnetism, probably because of a change in the Cr valence.
of a high Curie temperature : (Ga,Mn)N and (Zn,Cr)Te. Previous studies have shown in
both compounds the same valence d4 for the transition metal ions, and ferromagnetic properties
(sometimes paramagnetic for (Ga,Mn)N).
A magneto-spectroscopic study on the internal d-d transition of the Mn at 1.4 eV, performed
on low Mn content GaN epilayers, less than 0.1%, allowed us to develop a crystal eld model
for Mn3+ (3d4) including dynamical Jahn-Teller eect. This hypothesis on d4 conguration of
Mn is also valid for higher Mn doping, up to a few %. Moreover, magnetic circular dichroism at
the band gap energy, in agreement with the magnetization measurements, has shown a standard
DMS with a spin-carrier coupling and a paramagnetic behavior. The measured anisotropy is
weaker than the calculated one from the spectroscopic parameters.
Magnetization, magnetic circular dichroism and Hall eect measurements have shown ferromagnetic
properties with a high disorder. In opposition to standard DMS, the dichroism does
not come from the absorption at the band gap edge but from a deep band. The ferromagnetic
state is not induced by carriers but it is carrier sensitive : a p-type conductivity, obtained with
N codoping, suppresses the ferromagnetism, probably because of a change in the Cr valence.
Ce travail traite de nouveaux semiconducteurs magnétiques dilués (DMS) pouvant avoir une
température de Curie supérieure à l'ambiante : (Ga,Mn)N et (Zn,Cr)Te. Des études antérieures
ont montré dans ces deux matériaux la même valence d4 pour les ions de transitions et des
propriétés ferromagnétiques (parfois paramagnétiques pour (Ga,Mn)N).
Une étude magnéto-spectroscopique sur la transition interne d-d du Mn à 1,4 eV dans des
couches de (Ga,Mn)N très diluées, moins de 0,1%, a permis de développer un modèle de champ
cristallin pour Mn3+ (3d4) en introduisant un eet Jahn-Teller dynamique. Cette hypothèse du
Mn dans la conguration d4 est également valable pour les concentrations de quelques %. De
plus, un dichroïsme circulaire magnétique au gap, en accord avec les mesures d'aimantation est
observé : nous obtenons un DMS classique avec un couplage spin-porteurs, et un comportement
paramagnétique. L'anisotropie mesurée est cependant plus faible que celle calculée à partir des
paramètres spectroscopiques.
Les mesures d'aimantation, de dichroïsme circulaire magnétique et d'eet Hall sur (Zn,Cr)Te
ont montré des propriétés ferromagnétiques associées à un désordre important. Contrairement
aux DMS classiques, le dichroïsme observé n'est pas dû à des transitions au gap mais à une
bande profonde. L'état ferromagnétique n'est pas induit par des porteurs mais il est modulable :
une conduction de type p obtenue après dopage par de l'azote supprime le ferromagnétisme, sans
doute suite à un changement de la valence du Cr.
température de Curie supérieure à l'ambiante : (Ga,Mn)N et (Zn,Cr)Te. Des études antérieures
ont montré dans ces deux matériaux la même valence d4 pour les ions de transitions et des
propriétés ferromagnétiques (parfois paramagnétiques pour (Ga,Mn)N).
Une étude magnéto-spectroscopique sur la transition interne d-d du Mn à 1,4 eV dans des
couches de (Ga,Mn)N très diluées, moins de 0,1%, a permis de développer un modèle de champ
cristallin pour Mn3+ (3d4) en introduisant un eet Jahn-Teller dynamique. Cette hypothèse du
Mn dans la conguration d4 est également valable pour les concentrations de quelques %. De
plus, un dichroïsme circulaire magnétique au gap, en accord avec les mesures d'aimantation est
observé : nous obtenons un DMS classique avec un couplage spin-porteurs, et un comportement
paramagnétique. L'anisotropie mesurée est cependant plus faible que celle calculée à partir des
paramètres spectroscopiques.
Les mesures d'aimantation, de dichroïsme circulaire magnétique et d'eet Hall sur (Zn,Cr)Te
ont montré des propriétés ferromagnétiques associées à un désordre important. Contrairement
aux DMS classiques, le dichroïsme observé n'est pas dû à des transitions au gap mais à une
bande profonde. L'état ferromagnétique n'est pas induit par des porteurs mais il est modulable :
une conduction de type p obtenue après dopage par de l'azote supprime le ferromagnétisme, sans
doute suite à un changement de la valence du Cr.
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