Aca - Departamento de Física - Universidad Técnica Federico Santa ...
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V Encuentro Sud Americano de Colisiones Inelásticas en la Materia Manipulation of magnetic and electronic properties of Ga 1 - x Mn x As by ionbeam irradiation M. M. Sant’Anna 1 , T. G. Rappoport 1 , E. H. C. P. Sinnecker 1 , M. P. Pires 1 , G. M. Penello 1 , D. E. R. Souza 1 , S. L. A. Mello 1 , J. B. S. Mendes 1 , J. K. Furdyna 2 , and X. Liu 2 1 Instituto de Física, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro 21941-909, RJ, Brazil 2 Department of Physics, University of Notre Dame, Notre Dame, Indiana 46556, USA email address corresponding author: mms@if.ufrj.br Spintronics relies on the simultaneous use of both charge and spin degrees of freedom of charge carriers. New materials have been developed in recent years in order to create a path towards the realization of spintronic devices. The Ga 1-x Mn x As is one among those materials. It has a crystalline structure similar to Gallium Arsenide with a small fraction of the Ga atoms replaced by Mn atoms. The sites with Mn are diluted in the original Ga 1-x Mn x As lattice. The Ga 1-x Mn x As is a semiconductor that also has magnetic characteristics. Its ferromagnetism, however, is not a consequence of direct Mn-Mn interactions. The relevant Mn-Mn interaction is mediated by the holes that are introduced by the Mn substitutional to Ga (Mn Ga ). Thus, Mn Ga atoms in Ga 1- xMn x As provide, at the same time, the holes and the magnetic moments that are crucial for the existence of magnetism in the material. Intersticial Mn atoms, and other kinds of defects, on the other hand, decrease the density of carriers in the material. As a consequence, magnetism is also decreased when Mn atoms are displaced from Ga substitutional positions. In practice, perfect crystalline Ga 1- xMn x As is never grown and understanding the role of defects in their magnetic and chargetransport properties is fundamental in order to control the behavior of this material (e.g. [1]). Ion beams can displace the Mn atoms in a controllable way. Thus, we have studied Ga 1-x Mn x As with the controlled introduction of defects by irradiating the samples with energetic ion beam. Our recent study (Ref. [2]) focuses on the low-carrier-density regime, starting with as-grown Ga 1-x Mn x As films and decreasing even further the number of carriers, through a sequence of irradiation doses. We performed in situ room-temperature resistivity measurements as a function of the ion dose (Fig. 1).We have also studied the magnetization as a function of temperature and of the irradiation ion dose. We observe that both magnetic and transport properties of the samples can be experimentally manipulated by controlling the ion-beam parameters. Rs (Ω/sq) 10 5 x nom =5% Ga 1-x Mn x As 10 4 10 3 Li + (700 keV) + Ga 1-x Mn x As Li + beam p inicial =2×10 14 cm -2 l = 4 mm d = 100 nm 10 10 10 11 10 12 10 13 10 14 10 15 Dose (Li + /cm 2 ) Figure 1. Sheet Resistance as a function of the irradiation dose measured in-situ for 700 keV Li + projectiles. The sample is a 100 nm Ga 1-x Mn x As thin film grown by MBE on a GaAs substrate. References [1] K. Sato et al., Rev. Mod Phys. 82, 1633 (2010). [2] E. H. C. P. Sinnecker et al., Phys. Rev. B. 81, 245203 (2010). 46 Valparaíso, Chile
V Encuentro Sud Americano de Colisiones Inelásticas en la Materia Medidas da distribuição de energia de moléculas e fragmentos moleculares por espectroscopia de tempo de vôo com extração retardada. Natalia Ferreira (1) , L. Sigaud (1) , V. L. B. de Jesus (2) , W. Wolff (1) , M. B. Shah (3) , and E. C. Montenegro (1) 1 Instituto de Física, Universidade Federal do Rio de Janeiro, P.O. 68528, 21941-972 Rio de Janeiro, RJ, Brasil 2 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia, R. Lucio Tavares 1045, 26530-060 Nilópolis, RJ, Brasil 3 The Queen’s University Belfast, University Road Belfast, BT7 1NN, Northern Ireland, UK email para correspondência: natalia@if.ufrj.br Este trabalho apresenta medidas diretas da distribuição de energia de moléculas e fragmentos moleculares utilizando uma técnica de espectroscopia por tempo de vôo com extração retardada, que permite um estudo detalhado da dinâmica de colisões com moléculas. A metodologia proposta tem maior sensibilidade para fragmentos de baixa energia desde térmicos, supra térmicos, até alguns eV, diferente de métodos tradicionais que são mais sensíveis a fragmentos com energias mais altas. A montagem experimental utilizada é baseada em um espectrômetro de massa por tempo de vôo, onde a interação ocorre dentro de uma célula com o gás de interesse em equilíbrio térmico com o ambiente. O pulso de elétrons é intercalado com um pulso de extração, que pode ser dado imediatamente após a passagem do feixe de elétrons ou com um atraso temporal variável. A função distribuição de velocidades é obtida através dos produtos medidos em função do tempo de retardo pela modelagem da difusão dos íons a partir da zona de interação. Resultados preliminares, utilizando a molécula N 2 , mostram que a metodologia reproduz com fidelidade a distribuição de energia térmica (de Maxwell -Boltzmann) para a molécula mãe simplesmente ionizada N + 2 . Como pode ser visto na figura, os círculos fechados são o resultado teórico para distribuição de velocidades de MB, e os círculos abertos são os dados experimentais. O pico de razão massa/ carga = 14 possui contribuições do fragmento N + e da molécula mãe duplamente ionizada, N ++ 2 , que não são distinguíveis usando a espectroscopia de massa usual. Através da análise da função distribuição de velocidade é possível identificar a contribuição de cada um desses íons. Na figura as distribuições de velocidades do fragmento N + e da molécula N ++ 2 se somam e são comparadas aos dados experimentais, como indicado. A questão da estabilidade de moléculas ++, pequenas, como o N 2 duplamente carregadas vem sendo estudada utilizando-se diferentes técnicas: com moléculas contendo isótopos [1], através da análise de sua meia vida em aceleradores [2], e, mais recentemente, utilizando detectores especiais supercondutores [3]. O método aqui proposto é uma alternativa ++, simples para tratar o problema. Como o N 2 possui velocidade térmica, podemos facilmente identificá-lo, pois é nesta faixa que a metodologia desenvolvida é mais precisa. Referencias: Figura: Frações de íons coletados em função do tempo de retardo. A molécula mãe, N 2 q+ tem distribuição de energia de Maxwell-Boltzmann (MB). O fragmento N + tem uma função distribuição de velocidades dependente do canal de fragmentação. [1] T.D. Märk, J. Chem. Phys., vol 23, n. 9 (1975) [2] D Mathur et al., J. Phys. B At. Mol, Opt. Phys. 28 3415-3426. (1995) [3] Shiki et al, J. Mass Spectrom., 43: 1686–1691 (2008) 47 Valparaíso, Chile
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V Encuentro Sud Americano <strong>de</strong> Colisiones Inelásticas en la Materia<br />
Manipulation of magnetic and electronic properties of Ga 1 - x Mn x As by ionbeam<br />
irradiation<br />
M. M. Sant’Anna 1 , T. G. Rappoport 1 , E. H. C. P. Sinnecker 1 , M. P. Pires 1 , G. M. Penello<br />
1 , D. E. R. Souza 1 , S. L. A. Mello 1 , J. B. S. Men<strong>de</strong>s 1 , J. K. Furdyna 2 , and X. Liu 2<br />
1 Instituto <strong>de</strong> <strong>Física</strong>, Universida<strong>de</strong> Fe<strong>de</strong>ral do Rio <strong>de</strong> Janeiro, Rio <strong>de</strong> Janeiro 21941-909, RJ, Brazil<br />
2 Department of Physics, University of Notre Dame, Notre Dame, Indiana 46556, USA<br />
email address corresponding author: mms@if.ufrj.br<br />
Spintronics relies on the simultaneous<br />
use of both charge and spin <strong>de</strong>grees of freedom<br />
of charge carriers. New materials have<br />
been <strong>de</strong>veloped in recent years in or<strong>de</strong>r to<br />
create a path towards the realization of spintronic<br />
<strong>de</strong>vices. The Ga 1-x Mn x As is one among<br />
those materials. It has a crystalline structure<br />
similar to Gallium Arseni<strong>de</strong> with a small<br />
fraction of the Ga atoms replaced by Mn atoms.<br />
The sites with Mn are diluted in the<br />
original Ga 1-x Mn x As lattice.<br />
The Ga 1-x Mn x As is a semiconductor<br />
that also has magnetic characteristics. Its ferromagnetism,<br />
however, is not a consequence<br />
of direct Mn-Mn interactions. The relevant<br />
Mn-Mn interaction is mediated by the holes<br />
that are introduced by the Mn substitutional<br />
to Ga (Mn Ga ). Thus, Mn Ga atoms in Ga 1-<br />
xMn x As provi<strong>de</strong>, at the same time, the holes<br />
and the magnetic moments that are crucial for<br />
the existence of magnetism in the material.<br />
Intersticial Mn atoms, and other kinds of <strong>de</strong>fects,<br />
on the other hand, <strong>de</strong>crease the <strong>de</strong>nsity<br />
of carriers in the material. As a consequence,<br />
magnetism is also <strong>de</strong>creased when Mn atoms<br />
are displaced from Ga substitutional positions.<br />
In practice, perfect crystalline Ga 1-<br />
xMn x As is never grown and un<strong>de</strong>rstanding the<br />
role of <strong>de</strong>fects in their magnetic and chargetransport<br />
properties is fundamental in or<strong>de</strong>r<br />
to control the behavior of this material (e.g.<br />
[1]). Ion beams can displace the Mn atoms in<br />
a controllable way. Thus, we have studied<br />
Ga 1-x Mn x As with the controlled introduction<br />
of <strong>de</strong>fects by irradiating the samples with energetic<br />
ion beam. Our recent study (Ref. [2])<br />
focuses on the low-carrier-<strong>de</strong>nsity regime,<br />
starting with as-grown Ga 1-x Mn x As films and<br />
<strong>de</strong>creasing even further the number of carriers,<br />
through a sequence of irradiation doses.<br />
We performed in situ room-temperature resistivity<br />
measurements as a function of the ion<br />
dose (Fig. 1).We have also studied the magnetization<br />
as a function of temperature and of<br />
the irradiation ion dose. We observe that both<br />
magnetic and transport properties of the samples<br />
can be experimentally manipulated by<br />
controlling the ion-beam parameters.<br />
Rs (Ω/sq)<br />
10 5 x nom<br />
=5%<br />
Ga 1-x Mn x As<br />
10 4<br />
10 3<br />
Li + (700 keV) + Ga 1-x<br />
Mn x<br />
As<br />
Li + beam<br />
p inicial<br />
=2×10 14 cm -2<br />
l = 4 mm<br />
d = 100 nm<br />
10 10 10 11 10 12 10 13 10 14 10 15<br />
Dose (Li + /cm 2 )<br />
Figure 1. Sheet Resistance as a function of the irradiation<br />
dose measured in-situ for 700 keV Li + projectiles.<br />
The sample is a 100 nm Ga 1-x Mn x As thin film<br />
grown by MBE on a GaAs substrate.<br />
References<br />
[1] K. Sato et al., Rev. Mod Phys. 82, 1633<br />
(2010).<br />
[2] E. H. C. P. Sinnecker et al., Phys.<br />
Rev. B. 81, 245203 (2010).<br />
46 Valparaíso, Chile