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STM Images of Subsurface Mn Atoms in GaAs: Evidence of Hybridization of Surface and Impurity States

CNRS-Laboratoire de Photonique et de Nanostructures, route de Nozay, F-91460, Marcoussis, France.
Physical Review Letters (Impact Factor: 7.51). 12/2008; 101(19):196801. DOI: 10.1103/PhysRevLett.101.196801
Source: PubMed

ABSTRACT

We show that scanning tunneling microscopy (STM) images of subsurface Mn atoms in GaAs are formed by hybridization of the impurity state with intrinsic surface states. They cannot be interpreted in terms of bulk-impurity wave-function imaging. Atomic-resolution images obtained using a low-temperature apparatus are compared with advanced, parameter-free tight-binding simulations accounting for both the buckled (110) surface and vacuum electronic properties. Splitting of the acceptor state due to buckling is shown to play a prominent role.

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Available from: M. O. Nestoklon
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    ABSTRACT: We utilize a single-atom substitution technique with spectroscopic imaging in a scanning tunneling microscope to visualize the anisotropic spatial structure of magnetic and nonmagnetic transition metal acceptor states in the GaAs (110) surface. The character of the defect states play a critical role in the properties of the semiconductor, the localization of the states influencing such things as the onset of the metal-insulator transition and in dilute magnetic semiconductors the mechanism and strength of magnetic interactions that lead to the emergence of ferromagnetism. We study these states in the GaAs surface finding remarkable similarities between the shape of the acceptor-state wave function for Mn, Fe, Co, and Zn dopants, which is determined by the GaAs host and is generally reproduced by tight-binding calculations of Mn in bulk GaAs [ J.-M. Tang and M. E. Flatté Phys. Rev. Lett. 92 047201 (2004)]. The similarities originate from the antibonding nature of the acceptor states that arise from the hybridization of the impurity d levels with the host. A second deeper in-gap state is also observed for Fe and Co that can be explained by the symmetry breaking of the surface.
    Full-text · Article · Jul 2009 · Physical review. B, Condensed matter
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    ABSTRACT: Motivated by recent STM experiments, we present a theoretical study of the electronic and magnetic properties of the Mn-induced acceptor level obtained by substituting a single Ga atom in the (110) surface layer of GaAs or in one of the atoms layers below the surface. We employ a kinetic-exchange tight-binding model in which the relaxation of the (110) surface is taken into account. The acceptor wave function is strongly anisotropic in space and its detailed features depend on the depth of the sublayer in which the Mn atom is located. The local-density-of-states (LDOS) on the (110) surface associated with the acceptor level is more sensitive to the direction of the Mn magnetic moment when the Mn atom is located further below the surface. We show that the total magnetic anisotropy energy of the system is due almost entirely to the dependence of the acceptor level energy on Mn spin orientation, and that this quantity is strongly dependent on the depth of the Mn atom. Comment: 14 pages, 13 figures
    Full-text · Article · Jul 2009 · Physical review. B, Condensed matter
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    ABSTRACT: Le couplage d'un métal ferromagnétique (MF) et d'un semiconducteur (SC) permettrait d'intégrer un nouveau degré de liberté - le spin - aux propriétés logiques et optiques des semiconducteurs. Cependant, l'élaboration de jonctions tunnel magnétiques (JTM) couplant ces deux types de matériaux (barrières MF/SC/MF) présente des difficultés majeures. En effet, à la température de croissance optimale de la barrière semiconductrice (∼580 ◦C), le métal de l'électrode inférieure diffuse à travers l'interface pour s'incorporer à la barrière et ainsi réduire les effets de magnétorésistance. Pour éviter l'interdiffusion, la barrière doit être élaborée à basse température. Ce procédé implique l'incorporation d'antisites d'As dans la barrière SC qui réduit, encore une fois, les effets magnétorésistifs. Le couple MnAs/GaAs est considéré comme un bon candidat pour la réalisation de jonction hybride MF/SC /MF à cause de la faible réactivité et de la forte polarisation à l'interface. Afin de faire croître des JTM de bonne qualité chimique et cristalline, nous avons étudié des jonctions tunnel originales où l'électrode inférieure est une couche de clusters de MnAs dans une matrice de GaAs (GaAs:MnAs). Cet électrode est couvert par une barrière de SC III-V et par une électrode supérieure composée par une couche continue de MnAs. Le protocole de croissance de l'électrode inférieure (recuit in situ d'une couche de GaMnAs à T>500řC) permet simultanément de recuire la barrière semiconductrice et d'augmenter considérablement la qualité structurale et chimique de la barrière. Ce travail a été réalisé en trois parties. Dans un premier temps, les conditions d'élaboration de couches de GaAs:MnAs/GaAs(001) et de MnAs/GaAs(001) ont été optimisées. Ensuite, nous avons mené des études originales de microscopie à gradient de force magnétique et de spectroscopie de photoémission (in situ et au synchrotron). Ces mesures ont permis de faire ressortir des informations pertinentes pour l'intégration de ces couches en tant qu'électrode magnétique pour l'électronique de spin. Enfin, une étude du transport tunnel polarisé en spin a été conduite sur des jonctions tunnel MnAs/SC III-V/GaAs:MnAs.
    Preview · Article · Jan 2010
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