Struktur, Magnetismus und Grenzflächeneigenschaften epitaktischer dünner Fe- und FePt-Filme auf GaAs(001)-Substraten

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Im Rahmen dieser Arbeit wurden Struktur, Magnetismus und Grenzflächeneigenschaften von für das Gebiet der Spinelektronik/Magnetoelektronik möglicherweise relevanten Ferromagnet/Halbleiter-Heterostrukturen untersucht. Dabei lagen die Schwerpunkte bei der Erforschung der Fe-Spinstruktur und des Grenzflächenmagnetismus von dünnen epitaktischen Eisenschichten bzw. von epitaktischen FePt-Legierungsfilmen mit chemischer L10-Ordnung auf GaAs(001)-Oberflächen. Als zentrale Untersuchungsmethode wurde die isotopenspezifische Konversionselektronen-Mössbauer-spektroskopie (CEMS) in Kombination mit der 57Fe-Sondenschichttechnik im Temperaturbereich von 4.2 - 300 K eingesetzt. Es wird gezeigt, dass 57Fe-CEMS für die tiefenselektive Bestimmung lokaler magnetischer Eigenschaften an vergrabenen Grenzflächen und im Filminneren eine sehr geeignete Methode ist. Die Struktur der Schichten wurde mittels Beugungsmethoden (Elektronenbeugung (RHEED) bzw. Röntgenbeugung (XRD)) untersucht. Es ist gelungen, epitaktische L10-geordnete FePt-(001)-Legierungsschichten mit spontaner senkrechter Magnetisierung mittels verschiedener Präparationsmethoden (künstliches Monolagen-(ML-) Wachstum, Kodeposition) auf GaAs(001)-Oberflächen, die eine Pt(001)-Pufferschicht tragen, herzustellen. Der röntgenographisch bestimmte chemische Fernordnungsparameter S nimmt mit steigender Wachstumstemperatur TS bis auf maximal S = 0.71 zu, bevor die Fernordnung bei TS > 350 °C durch Legierungsbildung mit dem Substrat zerstört wird. Der Ordnungsparameter S der koverdampften stöchiometrischen FePt-Filme, die interessanterweise im Einheitszellenmodus aufwachsen, war systematisch größer als beim künstlichen Lagenwachstum. Mössbauerspektroskopisch konnte die fct-L10-Phase von der ungeordneten fcc-Phase gut getrennt werden. Als wichtiges Ergebnis wurde ein linearer Zusammenhang zwischen dem die Nahordnung widerspiegelnden spektralen Flächenanteil der L10-Phase und der Fernordnung S gefunden. Die beobachtete senkrecht Fe-Spintextur, charakterisiert durch den mittleren Verkippungswinkel <θ> der Fe-Spins bezogen auf die Filmnormale, korreliert mit dem L10-Phasenanteil bzw. mit S. Weiterhin ist es gelungen, epitaktische Fe(001)-Filme auf GaAs(001)-(4×6)- und auf GaAs(001)-LED-Oberflächen aufzuwachsen. Mittels RHEED wurde nichtmonotones Verhalten der planaren Gitterkonstanten im Anfangsstadium des Fe-Wachstums beobachtet. Die aus den CEM-Spektren erhaltenen magnetischen Hyperfeinfeldverteilungen P(Bhf) an der Fe/GaAs-Grenzfläche von bei TS = -140 °C oder Raumtemperatur (RT) aufgedampften Fe-Filmen sind sehr ähnlich. Die beobachteten großen, mittleren Grenzflächen-Hyperfeinfelder von <Bhf> ≈ 25 - 27 T weisen auf hohe mittlere magnetische Fe-Momente von 1.7 - 1.8 µB hin. Unmagnetische ('magnetisch tote') Grenzschichten können entweder ausgeschlossen werden (Fe/GaAs) oder sind sehr dünn (0.5 ML, Fe/GaAs-LED). Interdiffusion der As- und/oder Ga-Substratatome in die Fe-Schicht konnte bis zu einem Abstand von 12 ML Fe von der Grenzfläche nachgewiesen werden. Für einen ultradünnen (1.9 ML dicken) unbedeckten Fe(001)-Film auf GaAs(001)-(4x6) konnte als Folge der Inselstruktur durch in-situ-CEMS im UHV superparamagnetisches Verhalten mit einer Blocking-Temperatur von TB = 67 K nachgewiesen werden. Im Gegensatz dazu gibt es für einen Pt-bedeckten 2.5 ML dicken Fe(001)-Film auf Grund von T-abhängigen ex-situ-CEMS-Messungen einen Hinweis auf Quasi-2D-Ferromagnetismus mit einem effektiven Exponenten β = 0.26. Offensichtlich wird durch indirekte Austauschkopplung der Fe-Clustermomente über die Pt-Schicht Ferromagnetismus induziert. Die Perkolationsgrenze für das Einsetzten von Ferromagnetismus bei RT wurde an Pt-bedeckten Filmen zu dC = (2.60 ± 0.5) ML Fe bestimmt. An einem mit Fe/Tb-Vielfachschichten abgedeckten Fe(001)-Film auf einer GaAs(001)-LED konnte mittels einer 5 ML dicken 57Fe-Sondenschicht direkt an der Fe/GaAs-Grenzfläche eine starke senkrecht Fe-Spinkomponente <θ> ≈ 33 ° und ein hohes mittleres Hyperfeinfeld <Bhf> = 26.8 T bei 80 K ermittelt werden. An dieser Probe konnte von anderen Arbeitsgruppen erstmals Spininjektion in Remanenz (Nullfeld) beobachtet werden. Es wurden auch vorläufige Untersuchungen zum epitaktischen Wachstum von MgO(001)-Schichten auf GaAs(001) als Tunnelbarriere, gefolgt von einem aufgewachsenen Fe(001)-Kontakt, erfolgreich durchgeführt. Auf Grund von CEMS-57Fe-Sondenschicht-Messungen erkennt man geringe Wechselwirkung der Fe- und MgO-Schichten, hohe Hyperfeinfelder (<Bhf> = 34.2 T) und die Abwesenheit von unmagnetischen Schichten an der Fe/MgO-Grenzfläche.
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Dokumententyp:
Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Fakultät / Institut:
Fakultät für Physik
Dewey Dezimal-Klassifikation:
500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik
Beitragende:
Prof. Dr. Keune, Werner [Betreuer(in), Doktorvater]
Prof. Dr. Farle, Michael [Gutachter(in), Rezensent(in)]
Sprache:
Deutsch
Kollektion / Status:
Dissertationen / Dokument veröffentlicht
Datum der Promotion:
17.12.2007
Dokument erstellt am:
07.02.2008
Promotionsantrag am:
09.07.2007
Dateien geändert am:
04.02.2008
Medientyp:
Text