Doping mechanisms of Mn in GaAs nanowires (NWs) that have been grown self-catalytically at 600 °C by molecular beam epitaxy (MBE) are investigated using advanced electron microscopy techniques and atom probe tomography. Mn is found to be incorporated primarily in the form of non-magnetic tetragonal Ga0.82Mn0.18 nanocrystals in Ga catalyst droplets at the ends of the NWs, while trace amounts of Mn (22 ± 4 at. ppm) are also distributed randomly in the NW bodies without forming clusters or precipitates. The nanocrystals are likely to form after switching off the reaction in the MBE chamber, since they are partially embedded in neck regions of the NWs. The Ga0.82Mn0.18 nanocrystals and the low Mn concentration in the NW bodies are insufficient to induce a ferromagnetic phase transition, suggesting that it is difficult to have high Mn contents in GaAs even in 1-D NW growth via the vapor-liquid-solid process.
References
1.
T.
Dietl
and H.
Ohno
, Rev. Mod. Phys.
86
, 187
(2014
).2.
H.
Ohno
, A.
Shen
, F.
Matsukura
, A.
Oiwa
, A.
Endo
, S.
Katsumoto
, and Y.
Iye
, Appl. Phys. Lett.
69
, 363
(1996
).3.
M.
Wang
, R. P.
Campion
, A. W.
Rushforth
, K. W.
Edmonds
, C. T.
Foxon
, and B. L.
Gallagher
, Appl. Phys. Lett.
93
, 132103
(2008
).4.
H.
Ohno
, Science
281
, 951
(1998
).5.
H.-M.
Kim
, J.-H.
Leem
, and T.-W.
Kang
, Mater. Lett.
52
, 39
–42
(2002
).6.
M.
Lampalzer
, S.
Nau
, C.
Pietzonka
, W.
Treutmann
, K.
Volz
, and W.
Stolz
, J. Cryst. Growth
272
, 772
(2004
).7.
Y. Y.
Zhou
, X.
Liu
, J. K.
Furdyna
, M. A.
Scarpulla
, and O. D.
Dubon
, Phys. Rev. B
80
, 224403
(2009
).8.
J.
Sadowski
and J. Z.
Domagala
, Phys. Rev. B
69
, 075206
(2004
).9.
F.
Tuomisto
, K.
Pennanen
, K.
Saarinen
, and J.
Sadowski
, Phys. Rev. Lett.
93
, 055505
(2004
).10.
K. M.
Yu
, W.
Walukiewicz
, T.
Wojtowicz
, I.
Kuryliszyn
, X.
Liu
, Y.
Sasaki
, and J. K.
Furdyna
, Phys. Rev. B
65
, 201303
R (2002
).11.
J.
Sadowski
, P.
Dluzewski
, S.
Kret
, E.
Janik
, E.
Lusakowska
, J.
Kanski
, A.
Presz
, F.
Terki
, S.
Charar
, and D.
Tang
, Nano Lett.
7
, 2724
(2007
).12.
F.
Martelli
, S.
Rubini
, M.
Piccin
, G.
Bais
, F.
Jabeen
, S. D.
Franceschi
, V.
Grillo
, E.
Carlino
, F.
D'Acapito
, F.
Boscherini
, S.
Cabrini
, M.
Lazzarino
, L.
Businaro
, F.
Romanato
, and A.
Franciosi
, Nano Lett.
6
, 2130
(2006
).13.
J.
Sadowski
, A.
Siusys
, A.
Kovács
, T.
Kasama
, R. E.
Dunin-Borkowski
, T.
Wojciechowski
, A.
Reszka
, and B.
Kowalski
, Phys. Status Solidi B
248
, 1576
(2011
).14.
H. S.
Kim
, Y. J.
Cho
, K. J.
Kong
, C. H.
Kim
, G. B.
Chung
, and J.
Park
, Chem. Mater.
21
, 1137
(2009
).15.
H. C.
Jeon
, T. W.
Kang
, T. W.
Kim
, Y. J.
Yu
, W.
Jhe
, and S. A.
Song
, J. Appl. Phys.
101
, 023508
(2007
).16.
M.
Moreno
, A.
Trampert
, L.
Däweritz
, and K. H.
Ploog
, Appl. Surf. Sci.
234
, 16
(2004
).17.
J.
Sadowski
, J. Z.
Domagala
, R.
Mathieu
, A.
Kovács
, T.
Kasama
, R. E.
Dunin-Borkowski
, and T.
Dietl
, Phys. Rev. B
84
, 245306
(2011
).18.
A.
Rudolph
, M.
Soda
, M.
Kiessling
, T.
Wojtowicz
, D.
Schuh
, W.
Wegscheider
, J.
Zweck
, C.
Back
, and E.
Reiger
, Nano Lett.
9
, 3860
(2009
).19.
M.
Hilse
, Y.
Takagaki
, J.
Herfort
, M.
Ramsteiner
, C.
Herrmann
, S.
Breuer
, L.
Geelhaar
, and H.
Riechert
, Appl. Phys. Lett.
95
, 133126
(2009
).20.
N. S.
Dellas
, J.
Liang
, B. J.
Cooley
, N.
Samarth
, and S. E.
Mohney
, Appl. Phys. Lett.
97
, 072505
(2010
).21.
A.
Šiušys
, J.
Sadowski
, M.
Sawicki
, S.
Kret
, T.
Wojciechowski
, P.
Dłużewski
, K.
Gas
, W.
Szuszkiewicz
, A.
Kaminska
, and T.
Story
, Nano Lett.
14
, 4263
(2014
).22.
K.
Gas
, J.
Sadowski
, T.
Kasama
, A.
Siusys
, W.
Zaleszczyk
, T.
Wojciechowski
, J.-F.
Morhange
, A.
Altintas
, H. Q.
Xu
, and W.
Szuszkiewicz
, Nanoscale
5
, 7410
(2013
).23.
A.
Patsha
, S.
Amirthapandian
, R.
Pandian
, S.
Bera
, A.
Bhattacharya
, and S.
Dhara
, J. Phys. Chem. C
118
, 24165
(2014
).24.
25.
S.
Hata
, H.
Miyazaki
, S.
Miyazaki
, M.
Mitsuhara
, M.
Tanaka
, K.
Kaneko
, K.
Higashida
, K.
Ikeda
, H.
Nakashima
, S.
Matsumura
, J. S.
Barnard
, J. H.
Sharp
, and P. A.
Midgley
, Ultramicroscopy
111
, 1168
(2011
).26.
R. E.
Dunin-Borkowski
, T.
Kasama
, A.
Wei
, S. L.
Tripp
, M. J.
Hÿtch
, E.
Snoeck
, R. J.
Harrison
, and A.
Putnis
, Microsc. Res. Tech.
64
, 390
(2004
).27.
M.
Beleggia
and Y.
Zhu
, Philos. Mag.
83
, 1045
(2003
).28.
T.
Kasama
, P.
Barpanda
, R. E.
Dunin-Borkowski
, S. B.
Newcomb
, M. R.
McCartney
, F. J.
Castaño
, and C. A.
Ross
, J. Appl. Phys.
98
, 013903
(2005
).29.
T.
Kasama
, R. J.
Harrison
, N. S.
Church
, M.
Nagao
, J. M.
Feinberg
, and R. E.
Dunin-Borkowski
, Phase Transitions
86
, 67
(2013
).30.
F.
Glas
, J. C.
Harmand
, and G.
Patriarche
, Phys. Rev. Lett.
99
, 146101
(2007
).31.
D.
Spirkoska
, J.
Arbiol
, A.
Gustafsson
, S.
Conesa-Boj
, F.
Glas
, I.
Zardo
, M.
Heigoldt
, M. H.
Gass
, A. L.
Bleloch
, S.
Estrade
, M.
Kaniber
, J.
Rossler
, F.
Peiro
, J. R.
Morante
, G.
Abstreiter
, L.
Samuelson
, and A.
Fontcuberta i Morral
, Phys. Rev. B
80
, 245325
(2009
).32.
G. E.
Cirlin
, V. G.
Dubrovskii
, Y. B.
Samsonenko
, A. D.
Bouravleuv
, K.
Durose
, Y. Y.
Proskuryakov
, B.
Mendes
, L.
Bowen
, M. A.
Kaliteevski
, R. A.
Abram
, and D.
Zeze
, Phys. Rev. B
82
, 035302
(2010
).33.
B.
Mandl
, J.
Stangl
, E.
Hilner
, A. A.
Zakharov
, K.
Hillerich
, A. W.
Dey
, L.
Samuelson
, G.
Bauer
, K.
Deppert
, and A.
Mikkelsen
, Nano Lett.
10
, 4443
(2010
).34.
D. E.
Perea
, E. R.
Hemesath
, E. J.
Schwalbach
, J. L.
Lensch-Falk
, P. W.
Voorhees
, and L. J.
Lauhon
, Nat. Nanotechnol.
4
, 315
(2009
).35.
A. I.
Persson
, M. W.
Larsson
, S.
Stenström
, B. J.
Ohlsson
, L.
Samuelson
, and L. R.
Wallenberg
, Nat. Mater.
3
, 677
(2004
).36.
Y. H.
Kim
, D. W.
Park
, and S. J.
Lee
, Appl. Phys. Lett.
100
, 033117
(2012
).37.
W. H.
Hoather
, Proc. Phys. Soc.
48
, 699
(1936
).38.
T.
Dietl
, H.
Ohno
, F.
Matsukura
, J.
Cibert
, and D.
Ferrand
, Science
287
, 1019
(2000
).39.
T. F.
Kelly
, D. J.
Larson
, K.
Thompson
, R. L.
Alvis
, J. H.
Bunton
, J. D.
Olson
, and B. P.
Gorman
, Annu. Rev. Mater. Res.
37
, 681
(2007
).40.
D. E.
Perea
, J. E.
Allen
, S. J.
May
, B. W.
Wessels
, D. N.
Seidman
, and L. J.
Lauhon
, Nano Lett.
6
, 181
(2006
).41.
M.
Kodzuka
, T.
Ohkubo
, K.
Hono
, F.
Matsukura
, and H.
Ohno
, Ultramicroscopy
109
, 644
(2009
).42.
A.
Kovács
, J.
Sadowski
, T.
Kasama
, M.
Duchamp
, and R. E.
Dunin-Borkowski
, J. Phys. D: Appl. Phys.
46
, 145309
(2013
).43.
M.
Galicka
, R.
Buczko
, and P.
Kacman
, Nano Lett.
11
, 3319
(2011
).44.
T.
Kasama
, M.
Pósfai
, R. K. K.
Chong
, A. P.
Finlayson
, P. R.
Buseck
, R. B.
Frankel
, and R. E.
Dunin-Borkowski
, Am. Mineral.
91
, 1216
(2006
).45.
Y.
Huh
, P.
Kharel
, V. R.
Shah
, X. Z.
Li
, R.
Skomski
, and D. J.
Sellmyer
, J. Appl. Phys.
114
, 013906
(2013
).© 2015 AIP Publishing LLC.
2015
AIP Publishing LLC
You do not currently have access to this content.
