Igel, Thomas: Untersuchung der strukturellen und magnetischen Eigenschaften ultradünner 3d-Metall-Filme auf Fe(100) mit Ionenstrahlen

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Kapitel 2. Experimentelle Methoden

2.1 Streifende Ionenstreuung

Die streifende Streuung von Elektronen, Atomen, Ionen und Molekülen hat sich in den letzten Jahren zur Grundlage verschiedener Methoden der Untersuchung von Festkörper-Oberflächen und Wachstumsphänomenen ultradünner Filme entwickelt. Dabei stand vor allem auch der Zusammenhang von spezifischen Struktureigenschaften der Oberfläche und der räumlichen Verteilung der Projektile nach der Streuung (Streuverteilung) für die Beurteilung der Leistungsfähigkeit der speziellen Meßmethoden zur Diskussion. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird u.a. das Potential der streifenden Ionenstreuung zur Charakterisierung von Oberflächenstrukturen dargestellt.

Eine wesentliche Rolle bei der Bestimmung von morphologischen Größen dieser Oberflächen spielt - abhängig von der Art der Projektile - die Wahl der Streugeometrie und der Primärenergie, die zum Beispiel eine Variation der Informationstiefe und der Wechselwirkungslänge des Projektils mit der Oberfläche gestatten [LD89, PC89].

Die Experimente dieser Arbeit wurden überwiegend mit der Methode der streifenden Streuung schneller Ionen durchgeführt, deren Grundlagen in verschiedenen Artikeln ausführlich beschrieben wurden [z.B. WZ88, PFA98]. Die wichtigste Eigenschaft für die Empfindlichkeit auf die oberste atomare Lage ist die geringe Senkrechtenergie. Diese ist trotz hoher Primärenergien der Sonden von Eo~5..25keV unter Einfallswinkeln von typischerweise phi-grin=1.5° zur Oberfläche entsprechend dem Zusammenhang E\|[bottom]\|=E0sin2phi-grin etwa drei Größenordnungen kleiner. Das repulsive Potential zwischen Oberfläche und Projektil, welches in diesem Fall vor der obersten Netzebene der Festkörper-Oberfläche mit Werten von einigen 10eV bereits die Senkrechtenergie der Projektile übersteigt, verhindert bei idealen Oberflächen das Eindringen der Projektile in den Festkörper und führt zur spekularen Streuung, die insbesondere für die Beobachtung von Wachstumsprozessen ausgenutzt wurde.

Ein entscheidender Vorteil dieser Meßmethode gegenüber Beugungsmethoden besteht darin, daß eine einfache Beschreibung der Wechselwirkung zwischen Projektil und Oberflächen-Atomen im Rahmen der klassischen Mechanik die experimentellen Ergebnisse gut reproduziert. So können aus dem Vergleich von experimentellen Daten und Monte-Carlo-Simulationen der Trajektorien auf der Basis der "Binärstoß-Näherung" Rückschlüsse auf die morphologischen Eigenschaften der Oberfläche gezogen werden [PFA98].

In den folgenden Abschnitten wird dargelegt, wie die streifende Streuung schneller Ionen zur Charakterisierung von Einkristall-Oberflächen eingesetzt werden kann. Der Schwerpunkt liegt dabei auf den Prozessen, die für die durchgeführten Experimente


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relevant sind und den Konsequenzen, die sich aus den Unterschieden von realen und idealisierten Oberflächen ergeben.

2.1.1 Streugeometrie und Streuverteilung

Die Streugeometrie ist ein wichtiger Parameter für das Ausmaß, in dem sich spezifische Eigenschaften einer Oberfläche in der Streuverteilung widerspiegeln. Dies wird besonders anschaulich, wenn man bei Einkristall-Oberflächen die Regime des achsialen bzw. planaren "Channeling" (das ist die Streuung parallel niedrig- bzw. hochindizierter Kristallrichtungen) oder die Streuung unter- bzw. oberhalb des kritischen Einfallswinkels (bei dem die Senkrechtenergie des Projektils gleich dem Oberflächenpotential an der obersten Netzebene ist) vergleicht [LIN65].

In Abb. 2-1 ist das Prinzip der Oberflächenstreuung skizziert. Der einfallende Ionenstrahl mit dem polaren Einfallswinkel phi-grin spannt mit der Oberflächen-Normalen die Streuebene auf, die azimutal um den Einfallswinkel ominusin gegen eine ausgezeichnete Richtung der Oberfläche gedreht ist. Die gestreuten Projektile bilden nach ihrer Wechselwirkung mit der Oberfläche eine räumliche Streuverteilung, die mit einem Detektor im auslaufenden Strahl aufgenommen werden kann.

Abb. 2-1 Prinzip der streifenden Streuung

Abhängig vom konkreten Untersuchungsgegenstand genügt es in den meisten Fällen, die polare Verteilung der gestreuten Projektile in der Streuebene aufzunehmen, die einen Schnitt durch die räumliche Verteilung darstellt.

Die streifende Ionenstreuung an defektarmen Oberflächen erfolgt in der Regel in einen engen Raumwinkel. Entsprechend wird die polare Streuverteilung durch die Maximalintensität etwa beim spekularen Streuwinkel phi-grS, die Halbwertsbreite und die Form von unterspekularem und überspekularem Ausläufer charakterisiert ( Abb. 2-2 ). Auf die spezielle Form der Streuverteilung und deren Ursachen wird im folgenden Abschnitt näher eingegangen.


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Abb. 2-2 Streuverteilung mit Bezeichnung der charakteristischen Parameter

2.1.2 Einfluss der Oberfläche

Untersucht man die Wechselwirkung gestreuter Ionen mit metallischen Oberflächen, so ist es sinnvoll, morphologische und elektronische Eigenschaften der Oberfläche getrennt zu betrachten.

Aus morphologischer Sicht ist eine weitere Trennung bezüglich unterschiedlicher Defektstrukturen nötig, um aus der experimentellen Streuverteilung Rückschlüsse auf den konkreten Zustand der Oberfläche ziehen zu können.

Die elektronische Struktur spielt insbesondere für den Ladungstransfer, den Einfluß der Bildladung auf die Trajektorie sowie die Anregung von Sekundärelektronen eine primäre Rolle.

2.1.2.1 Morphologie

Eine ideale Einkristall-Oberfläche zeichnet sich durch die regelmäßige Anordnung der Oberflächenatome aus. Bei einer von den Basisvektoren der Einheitszelle aufgespannten Oberfläche ist die Idealfläche frei von Stufen und anderen Gitterfehlern. Sieht man auch von thermischen Schwingungen der Oberflächen-Atome ab, so hat man aus struktureller und morphologischer Sicht das Ideal einer Festkörper-Oberfläche. Der Streuprozeß schneller Ionen unter streifendem Einfall kann dann als semiplanare Oberflächengitterführung beschrieben werden, bei der die Projektile mit einem Ensemble von Gitteratomen wechselwirken und nicht in die Oberfläche eindringen. Das planare Kontinuums-Potential, das durch Mittelung der Einzelpotentiale entlang der Oberfläche gebildet wird, ermöglicht die Beschreibung der Trajektorien mittels der eindimensionalen Integration der Newton'schen Bewegungsgleichung [SCH73]. Aus der Eindeutigkeit dieser Beschreibung erhält man für eine bestimmte Streugeometrie nur eine einzige Trajektorie, die auf eine delta-förmige "Streuverteilung" führt. Je dichter die Projektile an die Oberfläche herankommen, desto relevanter wird die Korrugation des Oberflächenpotentials entsprechend dem Kristall-Gitter [WIN96], was eine Verbreiterung der Streuverteilung zur Folge hat. Abweichungen von der idealisierten Struktur und Morphologie der Oberfläche stören die Symmetrie und führen zur weiteren Verbreiterung und Strukturierung der Streuverteilung.


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Eine spezielle Änderung der Symmetrie tritt dann auf, wenn man vom planaren Channeling in hochindizierten Kristallrichtungen zum achsialen Channeling entlang niedrigindizierter Richtungen übergeht. Das achsiale Potential in Kanalrichtung führt zu Fokussierungseffekten, die eine deutliche Änderung in der Struktur der Streuverteilung hervorruft. Da die Änderung der Streuverhältnisse direkt von den geometrischen Verhältnissen eines solchen Kanals abhängt [SV83], lassen sich am Übergang vom planaren zum achsialen Channeling entsprechende Strukturinformationen gewinnen [PIW97d].

Reale Einkristall-Oberflächen besitzen stets eine Vielzahl von Defekten unterschiedlicher Dimension. Die einfachsten Störungen werden durch Null-dimensionale Defekte wie Fehlstellen oder Adatome gebildet. Auch thermisch aus ihrer Ruheposition ausgelenkte Oberflächenatome sind wegen der vergleichbar langsamen Schwingungsdauer gegenüber der Wechselwirkungszeit von Projektil und einzelnem Targetatom (<10-13s) als solche Punktdefekte zu betrachten. Größere Defekte werden durch Stufenkanten gebildet, die hauptsächlich durch die nicht zu vermeidende Fehlorientierung bei der Herstellung des Kristalls und die erodierende Präparation der Oberfläche erzeugt werden. Speziell beim Wachstum von epitaktischen Filmen treten die Inselränder als Stufen in Erscheinung.

Die Wechselwirkung der gestreuten Projektile mit solchen Defektstrukturen wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit ausführlich studiert und durch Vergleich mit Simulationsrechnungen quantifiziert.

Abb. 2-3 Entwicklung der polaren Streuverteilung (25keV He+, phi-grin=1.75°) beim Wachstum von ca. 0.8ML Cr/Fe(100)

Insbesondere ergibt sich aus dem starken Einfluß von Oberflächendefekten auf die Streueigenschaften die Möglichkeit der Beobachtung von Wachstumsprozessen [IPW96, PIW97], die in der Regel mit erheblichen Änderungen der Oberflächenmorphologie einhergehen [BAU58]. Anschaulich wird dies in der Abb. 2-3 für das Wachstum von 0.8 Monolagen Cr/Fe(100) wiedergegeben. Die speziellen Eigenschaften dieser Methode und die daraus erhältlichen Informationen werden im Kapitel 6 näher diskutiert.

2.1.2.2 Elektronische Struktur

Bei der Wechselwirkung von atomaren Projektilen mit Einkristall-Oberflächen spielt die elektronische Struktur von Target und Projektil eine nicht zu vernachlässigende Rolle für die Trajektorie und den möglichen Ladungsaustausch.

Mit zunehmender Ladung des Projektils und abnehmender Primärenergie gewinnt


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z.B. die Beschleunigung des Projektils zur Oberfläche aufgrund der Bildladung und die dadurch begründete Änderung des Streuwinkels an Bedeutung [HEC96].

Eine besondere Rolle kommt der elektronischen Struktur beim Ladungsaustausch zwischen Projektil und Target zu [AUT96]. Die Relation zwischen den elektronischen Zuständen der Oberfläche und des Projektils in Abhängigkeit von den experimentellen Streubedingungen äußert sich unter anderem in der kinematischen Abhängigkeit des Ladungstransfers [WZ88]. Neuere Untersuchungen belegen, daß unterschiedliche Bandstrukturen z.B. verschieden orientierter Cu-Oberflächen den Ladungsaustausch charakteristisch beeinflussen [HEC99]. Folglich müssen die Konzepte zur Behandlung von Ladungsaustauschprozessen an Metalloberflächen, die bisher im wesentlichen auf dem Modell des freien Elektronengases basierten, neu überdacht und weiterentwickelt werden. Entsprechende theoretische Behandlungen sind noch in den Anfängen und beziehen sich vorerst auch nur auf nichtmagnetische Oberflächen [BKG99]. Demzufolge ist eine Interpretation der Messungen zum Einfang polarisierter Elektronen von magnetischen Oberflächen bei der streifenden Ionenstreuung in Bezug auf die Bandstruktur zum jetzigen Zeitpunkt nur in Ansätzen möglich (siehe Abschnitt 5.2 ).

2.2 Einfang polarisierter Elektronen

Die magnetischen Eigenschaften von Festkörpern stehen in direktem Zusammenhang mit den unterschiedlichen Zustandsdichten von Majoritäts- ("spin-up") und Minoritätselektronen ("spin-down"). Ein Ungleichgewicht dieser Besetzung hat im Festkörper das Auftreten magnetischer Momente M zur Folge. Aus der Besetzung (Nuarr, Ndarr) der Zustände ergibt sich auch die Größe der Spin-Polarisation<1>

.

Darauf aufbauend sind in den vergangenen Jahren verschiedene Methoden entwickelt und vervollkommnet worden, die aus der Analyse der Spin-Polarisation von Sekundärelektronen nach Anregung durch gestreute Atome, Ionen und Elektronen oder auch durch Photoemission Rückschlüsse auf die magnetischen Eigenschaften von Festkörper-Oberflächen gestatten [RAU82, KIR88, MAT88, SUK90].

Die in dieser Arbeit verwendete Methode des Einfangs spinpolarisierter Elektronen zeichnet sich durch eine extreme Empfindlichkeit auf die oberste Atomlage der Festkörper-Oberfläche aus. In der ursprünglichen Form wurde die Technik der "Elektroneneinfang-Spektroskopie" von Rau und Sizmann angewandt [RS73], bei der die (spinpolarisierten) Target-Elektronen bei der streifenden Streuung an Ni-Einkristall-Oberflächen in den Grundzustand von 150keV-Deuterium-Ionen eingefangen werden und die Polarisation im Projektil in einer nachfolgenden Kernreaktion nachgewiesen wird.

In ähnlicher Weise kann der Einfang polarisierter Elektronen bei der streifenden Streuung von Ionen in angeregte elektronische Zustände der Projektile studiert werden [KGS77, ZHW88]. Die dabei auftretenden Besetzungs-Anisotropien werden


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über die Polarisation des Fluoreszenzlichts nachgewiesen.

Diese Methode ist in vorangegangenen Arbeiten auf eine Reihe von Projektil-Target-Kombinationen und unterschiedliche atomare Terme angewendet worden, um ein besseres Verständnis für den Einfangmechanismus und die zeitliche Entwicklung der atomaren Zustände zu erlangen. Dabei kamen gleichermaßen nichtmagnetische Metall-Oberflächen (ohne spinpolarisierte Elektronen) [AFP76, WIN90, BZ96] wie auch magnetische Oberflächen zur Anwendung [WL97, LOZ97]. In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfang polarisierter Elektronen in Fortsetzung der Untersuchungen an magnetischen Einkristall-Oberflächen [LEU94] auf das Studium der magnetischen Eigenschaften von Übergangsmetall-Filmen auf Fe(100) angewandt.

Da die Konzepte der Methode bezüglich der Kopplung von atomaren Drehimpulsen nach dem Elektroneneinfang und dessen Zusammenhang mit der Ausstrahlung von polarisiertem Fluoreszenzlicht beim Zerfall der angeregten atomaren Zustände bereits ausführlich dargestellt worden sind [KGS77, WIN92], werden im folgenden nur die für Auswertung und Verständnis der durchgeführten Messungen notwendigen Zusammenhänge wiedergegeben. Der quantitative Zusammenhang der gemessenen Polarisation mit der elektronischen Bandstruktur des Targets ist in Ermangelung der genauen Kenntnis des Ladungstransfers noch Gegenstand aktueller Diskussionen und bedarf weiterführender Untersuchungen sowohl theoretischer als auch experimenteller Natur. Dennoch lassen sich aus den Messungen maßgebliche magnetische Eigenschaften der untersuchten Metallfilme ableiten (siehe Kapitel 7 ).

2.2.1 Nachweis der Polarisation atomarer Terme

Bei der Oberflächenstreuung von schnellen Ionen werden Target-Elektronen in stabile und angeregte Terme des Projektils eingefangen. Aufgrund einer möglichen anisotropen Besetzung der atomaren Zustände können der entsprechende Bahndrehimpuls L=Sigmali und Gesamtspin S=Sigmasi bezüglich einer Quantisierungsachse (z hier senkrecht zur Streuebene) - abhängig von den spezifischen Streubedingungen und der elektronischen Konfiguration - polarisiert sein. Bezüglich dieser Quantisierungsachse z ergibt sich die Bahn-Polarisation

und Spin-Polarisation

im Ensemble der gestreuten Projektile aus der Besetzung und der magnetischen Subzustände mit den Quantenzahlen ML und MS. Die magnetischen Momente aus Spin- und Bahn-Polarisation koppeln im weiteren Verlauf der Trajektorie zum Gesamtdrehimpuls J (LS-Kopplung).<2> Das unter Zerfall der ange


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regten Zustände parallel zur Quantisierungsachse ausgestrahlte Fluoreszenzlicht ist entsprechend zirkular polarisiert. Der Grad der Zirkularpolarisation wird durch den reduzierten Stokes-Parameter S/I beschrieben und kann in der Form

dargestellt werden. Die Koeffizienten bij sind für den atomaren Übergang spezifisch und in [WIN92] für verschiedene Multipletts einer Reihe von Projektilen angegeben.<3>

An nichtmagnetischen Oberflächen (PS=0) kann aus der Messung der Zirkularpolarisation des Fluoreszenzlichts streifend gestreuter Projektile sofort auf die Bahn-Polarisation geschlossen werden. Sind sowohl PS als auch PL verschieden von Null, so genügt eine Einzel-Messung der Zirkularpolarisation zu deren Bestimmung nicht. Da sich aber unter Ummagnetisierung des Targets (Mrarr-M ) auch die Richtung der Spin-Polarisation umdreht (PSrarr-PS), ergibt sich die entsprechende Zirkular-Polarisation zu

.

Aus der Messung von S/I und können dann sowohl PL als auch PS bestimmt werden.

Eine detaillierte Diskussion über die Abhängigkeit der Polarisation von den Eigenschaften der untersuchten Oberfläche, den Streubedingungen und der Wechselwirkungsdynamik wird im Abschnitt 5.2 im Zusammenhang mit den Meßergebnissen geführt.

2.3 Auger-Spektroskopie

Die Auger-Spektroskopie ist aufgrund ihrer elementspezifischen Sensitivität eine Standard-Methode zur Untersuchung der chemischen Zusammensetzung der obersten Atomlagen von Festkörper-Oberflächen. Gewöhnlich wird diese Methode angewendet, um die Kontamination der untersuchten Oberfläche zu charakterisieren.

Da es an der Grenzfläche zwischen Substrat und Adsorbat beim heteroepitaktischen Filmwachstum durch atomare Austauschprozesse zur Durchmischung der beteiligten Spezies kommen kann, bietet die Auger-Spektroskopie ein geeignetes Mittel zur Untersuchung solcher Interdiffusionsvorgänge an ultradünnen Filmen.

Eine lagenweise Auflösung der chemischen Zusammensetzung der Oberfläche ist aufgrund der Informationstiefe, die durch die Anregungstiefe und die energieabhängige Austrittslänge bestimmt ist [FG92], in der Regel nur schwer zu erhalten. Obgleich eine Möglichkeit zur Spezifizierung der Informationstiefe in der Messung unter flachen Austrittswinkeln bzw. der Ausnutzung erhöhter Intensitäten parallel zu niedrigindizierten Kristallrichtungen bei der Elektronenbeugung besteht [DHO91, VH96], wurde in den hier vorgestellten Messungen eine andere Methode angewendet: Es wurden verschiedene Auger-Übergänge nach Anregung mit 4keV-Primärelektronen unter schrägem Einfall (33° zur Oberflächen-Normale) im nieder


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energetischen (Fe-L23VV, 47eV) und höherenergetischen Bereich (Fe-L3VV, 703eV) ausgewertet. Diese unterscheiden sich in ihrer Informationstiefe aufgrund der verschiedenen mittleren freien Weglänge der Elektronen. Darüber hinaus wurde durch Anregung von Sekundärelektronen beim streifenden Einfall von 25keV-Protonen die Anregungstiefe reduziert. Ein Vergleich der typischen N(E)-Spektren vom sauberen Fe(100)-Substrat ist in der Abb. 2-4 gezeigt. Werden die Streuverhältnisse so gewählt, daß die Projektile nicht in den Festkörper eindringen können, gelangt man - abgesehen von vernachlässigbaren Anregungen durch Sekundär-Kaskaden - zu einer auf den Bereich der obersten Atomlage begrenzten Informationstiefe [PL93, PIW98].

Abb. 2-4 Auger-Spektren von der präparierten Fe(100)-Oberfläche nach Anregung mit 4keV-Elektronen bzw. 25keV-Protonen. Markiert sind die niederenergetischen L3VV-Linien bzw. die höherenergetischen M23VV-Linien des Fe.(mit Valenzband) + (Fig.1 aus PIW97c)

Durch Vergleich dieser Auger-Signalhöhen bei unterschiedlichen Austrittstiefen kann ein lagenweise aufgelöstes Konzentrationsprofil für die obersten Atomlagen erstellt werden (siehe Kap. 6 ).


Fußnoten:

<1>

Die Kausalität von Spin-Polarisation und magnetischem Moment hat zur Folge, daß diese (per Definition) antiparallel ausgerichtet sind.

<2>

Die Kopplung an den Kernspin ist für die hier durchgeführten Experimente vernachlässigbar.

<3>

Für den in dieser Arbeit untersuchten Übergang gilt im untersuchten Energiebereich der Projektile:

HeI 1s2s3S - 1s3p3P (lambda=389nm): b10=b01=-0.750, b11=0.167


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