Mössbauerspektroskopische Untersuchung von Struktur und Magnetismus der austauschgekoppelten Schichtsysteme Fe/FeSn2 und Fe/FeSi/Si und des ionenimplantierten verdünnten magnetischen Halbleiters SiC(Fe)

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Im Rahmen dieser Arbeit wurden die strukturellen und magnetischen Eigenschaften der austauschgekoppelten Schichtsysteme Fe/FeSn2 und Fe/FeSi/Si und des mit Fe-Ionen implantierten verdünnten magnetischen Halbleiters (DMS) SiC(Fe) untersucht. Als zentrale Messmethode wurde die isotopenspezifische 57Fe-Konversionselektronen-Mössbauerspektroskopie (CEMS), meistens in Kombination mit der 57Fe-Sondenschichttechnik, im Temperaturbereich von 4.2-300 K eingesetzt. CEMS ist eine der wenigen Methoden, mit der die Spinstruktur in dünnen antiferromagnetischen (AF)-Schichten bestimmt werden kann. Weitere Messmethoden waren Röntgenbeugung (XRD), Elektronenbeugung (LEED, RHEED), SQUID-Magnetometrie und FMR (Ferromagnetische Resonanz). Im ersten Teil dieser Arbeit wurden die Eigenschaften von dünnen AF FeSn2(001)-Filmen und des Exchange-Bias-Systems Fe/FeSn2(001) auf InSb(001) untersucht. Unter Verwendung von 57FeSn2-Sondenschichten und CEMS konnten sowohl die Fe-Spinstruktur als auch der Temperaturverlauf des magnetischen Hyperfeinfelds Bhf in FeSn2 beobachtet werden. Das Aufbringen des Fe-Films auf den FeSn2-Film erzeugt in letzterem eine hohe senkrechte Spinkomponente an der Fe/FeSn2-Grenzfläche. Weiter von ihr entfernt drehen sich die Fe-Spins des AF wieder in die Probenebene hinein. Die beobachtete Spinrotation im AF erfolgt vermutlich durch den magnetoelastischen Effekt aufgrund der Gitterfehlanpassung zwischen Fe- und FeSn2-Filmen. 57Fe-CEMS lieferte weiterhin einen Hinweis auf eine Korrelation zwischen dem Betrag des Exchange-Bias-Feldes |He| und dem Anteil magnetischer Defekte im FeSn2. Proben mit einer höheren Defektdichte zeigen eine Zunahme von |He|. Die Resultate unterstützen somit das "Domain-State-Modell" von Nowak et al. Temperaturabhängige CEMS-Messungen lieferten Informationen zur Spindynamik im AF. Die gefundenen Übergangstemperaturen TB* wurden als superparamagnetische Blocking-Temperaturen interpretiert, die höher liegen als die magnetometrisch gemessene Blocking-Temperatur TB des Exchange-Bias-Effekts. Der zweite Teil dieser Arbeit behandelt die indirekte Austauschkopplung in Fe/FeSi/Si/FeSi/Fe-Vielfachschichten und FeSi-Diffusionsbarrieren. Das Ziel hierbei war es, möglichst Fe-freie Si-Zwischenschichten zu erhalten. Die CEMS-Resultate zeigen, dass die Interdiffusion des Eisens ab einer Dicke von tFeSi=10-12 Å der "unteren" FeSi-Schichten erfolgreich unterbunden werden konnte. Für dickere FeSi-Schichten (tFeSi ≈ 20 Å) wurde die Ausbildung der metastabilen defektbehafteten c-FeSi Phase beobachtet. Erstmals wurde eine oszillatorische antiferromagnetische Austauschkopplung zwischen den Fe-Schichten als Funktion der FeSi-Dicke mit einer Periode von ≈ 6 Å gefunden, in qualitativer Übereinstimmung mit der Theorie von Herper et al.. Im dritten Teil dieser Arbeit wurde versucht, mittels Ionenimplantation von 57Fe in SiC(0001)-Wafer einen verdünnten magnetischen Halbleiter herzustellen. Für Dosen ≥ 2 · 1016 Ionen cm-2 nach thermischer Behandlung der Proben fand man mit Hilfe von CEMS, XRD und TEM (Transmissions-Elektronenmikroskopie) superparamagnetische Fe3Si-Nanocluster, die epitaktisch in die SiC-Matrix eingebettet waren. Neben Fe3Si wurden keine zusätzlichen Phasen beobachtet. Für kleinste Dosen von 1 · 1016 Ionen cm-2 gaben die CEM-Spektren bei 4.2 K Hinweise auf Ferromagnetismus und die Abwesenheit von Nanopartikeln, also die erfolgreiche Erzeugung eines DMS. Die obere Grenze, unter der es keine Ausscheidung sekundärer Phasen gibt, wurde somit auf 1-3 at. % Fe eingegrenzt.

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Dokumententyp:
Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Fakultät / Institut:
Fakultät für Physik » Experimentalphysik
Dewey Dezimal-Klassifikation:
500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik
Physics and Astronomy Classification Scheme:
70. Condensed matter: electronic structure, electrical, magnetic, and optical properties » 75. Magnetic properties and materials » 75.70.-i Magnetic films and multilayers » 75.70.Cn Interfacial magnetic properties (multilayers, magnetic quantum wells, superlattices, magnetic heterostructures)
70. Condensed matter: electronic structure, electrical, magnetic, and optical properties » 76. Magnetic resonances and relaxations in condensed matter, Moessbauer effect » 76.80.+y Moessbauer effect; other gamma-ray spectroscopy
70. Condensed matter: electronic structure, electrical, magnetic, and optical properties » 75. Magnetic properties and materials » 75.30.-m Intrinsic properties of magnetically ordered materials » 75.30.Gw Magnetic anisotropy
80. Cross-disciplinary physics and related areas of science and technology » 85. Electronic and magnetic devices; microelectronics » 85.40.-e Microelectronics: LSI, VLSI, ULSI; integrated circuit fabrication technology » 85.40.Ry Impurity doping, diffusion and ion implantation technology
Stichwörter:
Mössbauerspektroskopie, Exchange bias, Austauschkopplung, Schichtsysteme, FeSn2, FeSi, SiC, Ionenimplantation, Molekularstrahlepitaxie
Beitragende:
Prof. Dr. Keune, Werner [Betreuer(in), Doktorvater]
Prof. Dr. Wende, Heiko [Gutachter(in), Rezensent(in)]
Sprache:
Deutsch
Kollektion / Status:
Dissertationen / Dokument veröffentlicht
Datum der Promotion:
07.07.2009
Dokument erstellt am:
11.08.2009
Promotionsantrag am:
16.03.2009
Dateien geändert am:
11.08.2009
Medientyp:
Text