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

58

Kapitel 6. Wachstum von Übergangsmetall-Filmen auf Fe(100)

Das Wachstum epitaktischer Filme auf Einkristall-Oberflächen ist Gegenstand zahlreicher Studien der letzten Jahre und hat neben einer Vielzahl von untersuchten Systemen im Bereich der Halbleiter, Metalle, Isolatoren und deren Kombinationen zu einer Reihe neuer Untersuchungsmethoden geführt. Dabei werden neben den direkt abbildenden Rastersonden-Mikroskopien, die zwar Abbildungen der Oberfläche mit atomarer Auflösung erreichen, aber eine Echt-Zeit Beobachtung nahezu unmöglich machen, in der Regel die (periodischen) Änderungen der Oberflächen-Morphologie für die Beobachtung von (lagenweisen) Wachstumsprozessen ausgenutzt [GOM85, NOR88, WAN95, HOE99]. Eine dieser Methoden ist die Beobachtung des Wachstums mittels der streifenden Streuung schneller Ionen, die 1993 zum ersten Mal von Fujii et al. [FNK93] zur Beobachtung des homoepitaktischen Wachstums von GaAs(100)-Filmen und 1996 im Rahmenprojekt dieser Arbeit erstmalig auf das heteroepitaktische Wachstum von Cr auf Fe(100) angewandt wurde [IPW96].

In den folgenden Abschnitten werden die Ergebnisse aus den Wachstumsmessungen mit der streifenden Ionenstreuung an verschiedenen 3d-Übergangsmetall-Filmen auf Fe(100) im Zusammenhang mit deren Wachstumseigenschaften diskutiert. Zusätzlich zu den rein morphologischen Größen wurde auch die chemische Struktur der heteroepitaktischen Systeme hinsichtlich der Interdiffusionseigenschaften an der Grenzfläche Substrat-Adsorbat mittels Auger-Elektronen-Spektroskopie studiert. Die Kenntnis der Oberflächenstruktur hinsichtlich Morphologie und Zusammensetzung bilden eine wesentliche Voraussetzung für das Verständnis der magnetischen Eigenschaften der epitaktischen Filme.

6.1 Fe(100)-Homoepitaxie

Das homoepitaktische Wachstum von Fe auf Fe(100) ist als ein Modellsystem in der Metall-Epitaxie zu betrachten, das bereits mit anderen Methoden wie der Raster-Tunnel-Mikroskopie (STM) oder der Beugung schneller Elektronen unter streifendem Einfall (RHEED) ausführlich untersucht worden ist [SPD93, SP94]. Diese Studien weisen auf ein nahezu ideales lagenweises Wachstum bei Temperaturen um 600K und ein stationäres Wachstum unter Beteiligung mehrerer offener Lagen bei 300K, wobei sich das Wachstum durch die Bildung von näherungsweise quadratischen Inseln und deren Koaleszenz lagenweise fortsetzt.

Das Szenario des lagenweisen Film-Wachstums auf Einkristall-Oberflächen im Sub-Monolagen-Bereich stellt sich prinzipiell für alle Systeme in gleicher Weise dar: Die aus der Gasphase an der Oberfläche an zufälligen Plätzen adsorbierten Atome diffundieren auf der Oberfläche, bis sie an Terrassenkanten gebunden werden oder andere "freie" Atome treffen, um mit ihnen Wachstumskeime zu bilden. Diese Keime können wieder dissoziieren, sofern sie nicht eine kritische Keimgröße erreicht haben,


59

oder durch Anlagerung weiterer Adatome stabile Inseln bilden. Solange der mittlere Abstand dieser Inseln kleiner als die mittlere Diffusionslänge der Adatome ist, steigt die Inseldichte deutlich an. Das weitere Wachstum der Monolage wird dann überwiegend durch die Anlagerung neuer Adatome an die Inselränder bestimmt, bis die Inseln schließlich koaleszieren und die Lage aufgefüllt wird. Die Kenngrößen dieser Prozesse, wie z.B. Nukleationsabstand, kritische Inselgröße, Füllungsgrad einer Lage beim Einsetzen der Nukleation in der nächsten Lage oder Diffusionsbarrieren hängen von den äußeren Bedingungen und dem spezifischen System ab.

Da man im homoepitaktischen System von störenden Einflüssen wie der Grenzflächen-Interdiffusion, Gitterfehlanpassung oder Änderungen der elektronischen Struktur absehen kann, eignet sich ein solches System besonders für methodische Studien zur Beobachtung von Wachstumsphänomenen.

Wie bereits in den Abschnitten 2.1.2 und 5.1 diskutiert wurde, ändern sich die Streueigenschaften der streifend einfallenden Ionen/Atome mit der Morphologie der Oberfläche. Die sich während der Ausbildung von Adsorbat-Inseln deutlich erhöhende Stufendichte (sowohl Auf- als auch Abwärts-Stufen entlang der Trajektorie) führt zu einer Bevorzugung größerer Streuwinkel an Aufwärtsstufen sowie einer Streuung in unterspekulare Streuwinkel an Abwärtsstufen (vgl. Abschnitt 5.1 ) und damit zu einem Verlust in der korrelierten Streuung am planaren Oberflächen-Potential. Es kommt also zu einer Verbreiterung der Streuverteilung durch eine Umverteilung der Streuwinkel. Da insgesamt die Großwinkelstreuung an Defekten begünstigt wird, ist eine zunehmende Defektdichte auch mit einer Abnahme der Gesamtintensität im Bereich der spekularen Streuverteilung verbunden.

In der Abb. 6-1 sind die polaren Streuverteilungen ( He+, 25keV, phi-grin=1.7°) gezeigt, die während des homoepitaktischen Wachstums von etwa einer Monolage Fe auf der Fe(100)-Oberfläche bei 460±10K aufgenommen wurden. Die Normierung erfolgte dabei auf die Streuverteilung vom unbedeckten Fe(100)-Substrat.

Bereits bei sehr kleinen Bedeckungen der Oberfläche erkennt man eine drastische Abnahme der spekularen Streuintensität. Nachdem die Intensität bei einer Bedeckung von ca. einer halben Monolage ein Minimum erreicht, steigt sie mit zunehmender Füllung der Monolage wieder an. Dennoch wird das Niveau der unbedeckten Substrat-Oberfläche nicht wieder erreicht, was auf eine Abweichung vom idealen Lagenwachstum deutet. Tatsächlich erfolgt bereits deutlich vor Erreichen einer nominellen Bedeckung von einer Monolage eine erneute Nukleation in der zweiten atomaren Lage. Dies ließ sich dadurch bestätigen, daß nach Ausheilen des nominell ca. 1ML dicken Films bei 790±50K (für einige Sekunden) die Streuverteilung identisch der Verteilung an der unbedeckten Substrat-Oberfläche wird (vgl. rechtes Bild in Abb. 6-1 ). Man kann in diesem Fall davon ausgehen, daß die Struktur des Substrats durch den Film prinzipiell reproduziert worden ist.

Zur Charakterisierung des Wachstums wurden auch hier Monte-Carlo-Computersimulationen der Streuverteilung unter Modifizierung der Oberflächen-Struktur durchgeführt (vgl. Abschnitt 3 ). Dazu kommt ein einfaches Modell zur Beschreibung des Sub-Monolagen-Wachstums zur Anwendung: Das ausschließlich zweidimensionale und pseudomorphe Wachstum wird durch geometrisch verteilte Inseln mit einem mittleren Abstand L als einzigem freien Parameter beschrieben. Die Inselgröße ergibt


60

sich dann aus der aktuellen Bedeckung.

Abb. 6-1 Vergleich von berechneten (Linien) und gemessenen (Symbole) Streuverteilungen beim Wachstum einer ML Cr/Fe(100) und anschließendem Tempern (25keV He+ phi-grin=1.7°) [PIO99].(Fig2 aus PIO99)

Die mit diesem Modell für das ideale lagenweise Wachstum berechneten Streuverteilungen [PFA99] sind in der Abb. 6-1 als durchgezogene Linien eingetragen. Dabei wurde für das Substrat eine mittlere Terrassenbreite von 4000Å und ein mittlerer Inselabstand von L=90Å verwendet. Die Anpassung von gemessener und berechneter Streuverteilung ist bis zu einer Bedeckung von etwa einer halben Monolage sehr gut. Erst bei größeren Bedeckungen treten merkliche Abweichungen auf. Dies wird noch deutlicher, wenn man die Intensität im Spekularwinkel und die Halbwertsbreite der gemessenen und berechneten Streuverteilungen als die charakteristischen Parameter über der Bedeckung aufträgt ( Abb. 6-2 ).

Abb. 6-2 Vergleich von berechneten (offene Symbole) und gemessenen (geschlossene Symbole) Parametern der Streuverteilungen beim Wachstum einer Monolage Cr/Fe(100) und anschließendem Tempern bei ca. 720K (25keV He+ phi-grin=1.7°) [PIO99]. (Fig.3a und b aus PIO99)

Sowohl für die spekulare Streuintensität als auch für die Halbwertsbreite wird der prinzipielle Verlauf über der Bedeckung ominus durch die Simulation gut wiedergegeben. Während man für die Halbwertsbreite vorwiegend eine systematische Abweichung zu kleineren Werten feststellt, erkennt man im Intensitätsverlauf bis ominusle0.5ML eine


61

nahezu perfekte Übereinstimmung. Oberhalb ominusap0.5ML wiederum nimmt die Abweichung zwischen gemessenen und berechneten Größen deutlich zu. Hier spiegelt sich die Diskrepanz zwischen dem verwendeten Wachstumsmodell und dem realen Filmwachstum wider: Während im Modell das Wachstum in mehr als einer atomaren Lage unterdrückt wird, setzt in der Realität im Bereich deutlicher Koaleszenz die Nukleation in der folgenden atomaren Lage ein. Folglich kann man aus dem Vergleich von Experiment und Ideal-Modell den Zeitpunkt des Einsetzens einer Nukleation in der zweiten Lage abschätzen, was z.B. für die Entwicklung verbesserter Wachstumsmodelle mit realistischer Beschreibung der Bedeckung in mehr als einer offenen Film-Lage ausgenutzt werden kann.

Die periodische Änderung der Streuverteilung und insbesondere der spekularen Streuintensität kann nun zur kontinuierlichen Beobachtung des Schichtwachstums in Echtzeit und in situ ausgenutzt werden [PIO99]. Die Variation der Spekular-Intensität ist vorzugsweise auf die Änderung der Stufen-Korrelation (in horizontaler und vertikaler Richtung) zurückzuführen [PFA99]. Die beobachtete Oszillationsperiode entspricht dem Wachstum einer Monolage, sofern die Struktur der Oberfläche von einer zur nächsten Lage reproduziert wird, infolgedessen die Intensität ihr vorheriges Niveau wieder erreicht (stationäres Wachstum). Dies konnte experimentell durch Vergleichsmessungen mit einem Schwingquarz nachgewiesen werden [IGE96].

Ist die Depositionsrate bekannt, so kann bei nicht allzu starker Abweichung vom lagenweisen Wachstum und einer nominellen Bedeckung der Oberfläche mit einer Monolage aus der spekularen Streuintensität abgeschätzt werden, wieviel Material bereits in der zweiten Atomlage vorhanden ist. Im Fall der Messung aus Abb. 6-1 ergibt sich ein Füllungsgrad der ersten Monolage von (95±1)%.

Die Beobachtung des homoepitaktischen Filmwachstums durch Aufnahme der spekularen Streuintensität streifend gestreuter He+-Ionen (E0=25keV, phi-grin=1.7°) mittels fixiertem Detektor im Maximum der Streuverteilung ist in der Abb. 6-3 exemplarisch für drei verschiedene Substrat-Temperaturen bei gleicher Depositionsrate (6.5x10-3 MLs-1) gezeigt.

Abb. 6-3 Verlauf der Spekularintensität (25keV He+ phi-grin=1.7°) beim homoepitaktischen Wachstum von Fe/Fe(100) für verschiedene Substrattemperaturen.


62

Man erkennt über viele Lagen ausgeprägte Oszillationen bei einer Wachstumstemperatur von 590±15K. Die hohe Intensität und scharfe Ausprägung der Maxima kennzeichnen ein nahezu perfektes Wachstum, das sich über Nukleation, Aggregation und Koaleszenz lagenweise fortsetzt. Dennoch nimmt mit zunehmender Bedeckung die Qualität der (quasi) abgeschlossenen Lagen stetig ab, was hier überwiegend auf die Kinetik des Wachstumsprozesses weit entfernt vom thermischen Gleichgewicht zurückzuführen ist. Das wird an der fortgesetzten Umstrukturierung der Filmoberfläche nach Unterbrechung des Aufdampfprozesses zugunsten einer glatteren Oberfläche - gekennzeichnet durch einen beachtlichen Anstieg der Streuintensität - deutlich.

Bei niedrigerer Temperatur bewirkt die Erhöhung der Nukleationsdichte [VPT92] einen stärkeren Abfall der Spekular-Intensität. Die verringerte Interlagen-Mobilität der Adatome, die sich in der fast unveränderten Signalhöhe nach Unterbrechung des Teilchenflusses vom Verdampfer widerspiegelt, resultiert in einer deutlichen Verschlechterung des lagenweisen Filmwachstums.

Eine sichtbar andere Qualität des Filmwachstums von Fe auf Fe(100) findet man bei 690±20K: Das sich nur unbedeutend ändernde Streusignal weist darauf hin, daß eine Inselbildung auf den Terrassen des Substrats weitestgehend ausgeschlossen werden kann und das Wachstum über die Aggregation der Adsorbatatome an die Stufenkanten der Substrat-Terrassen ohne wesentliche Änderung der Oberflächen-Struktur fortschreitet. Dieses Regime des "Step-Flow" kann einerseits durch eine im Vergleich zur mittleren Terrassenbreite größere Diffusionslänge der Adatome erreicht werden oder andererseits daraus resultieren, daß selbst größere Wachstumskeime vor dem Erreichen der kritischen Größe wieder zerfallen.

Aus früheren Studien an Sub-Monolagen von Fe auf Fe(100), die bei unterschiedlichen Temperaturen präpariert und - abgekühlt auf Raumtemperatur - mittels Raster-Tunnel-Mikroskopie abgebildet wurden, gibt es Hinweise, daß unterhalb etwa 520K Dimere von Fe-Atomen bereits stabile Wachstumskeime bilden [STD93, SP94]. Bei höheren Temperaturen treten kleinere Inseldichten mit einer schmaleren Größenverteilung auf, was die Autoren mit einer Vergrößerung der kritischen Keimgröße auf vier Atome interpretieren. Um die Nukleations-Eigenschaften ausführlicher zu studieren, wurden mit der streifenden Streuung umfangreiche Studien zum homoepitaktischen Wachstum von Fe auf Fe(100) im Sub-Monolagen-Bereich durchgeführt und aus dem Vergleich der Messungen mit entsprechenden Simulationen bei unterschiedlichen Nukleationsabständen L als Fitparameter die Nukleationsdichte N=L-2 ermittelt [PIW00]. In der Abb. 6-4 ist der Vergleich von Experiment und Simulation für unterschiedliche Wachstumsmodi veranschaulicht. Die Inseldichte wird in der Simulation konstant gehalten. Deshalb sind die Abweichungen am deutlichsten einerseits bei den sehr kleinen Bedeckungen, bei denen die reale Inseldichte durch Nukleation noch zunimmt, und andererseits bei Bedeckungen deutlich über einer halben Monolage, bei denen die reale Inseldichte aufgrund der Koaleszenz wieder abnimmt [AFL94]. Weiterhin ist bei nominellen Bedeckungen etwas unterhalb einer Monolage die im Modell nicht integrierte Nukleation in der zweiten atomaren Lage als systematischer Fehler zu berücksichtigen. Folglich ist die (Sättigungs-)Inseldichte im Bereich der Bedeckung mit etwa einer halben Monolage abzuschätzen, bei der die Inseldichte maximal und nahezu konstant ist.


63

Abb. 6-4 Vergleich von Experiment (Symbole) und Simulation (Linien) der Spekularintensität (25keV He+ phi-grin=1.7°) beim homoepitaktischen Wachstum von Fe/Fe(100); von oben nach unten: T=590K, F=9×10-3ML; T=590K, F=5.8×10-2ML; T=420K, F=2.1×10-1ML. Der zweite Datensatz besteht aus zwei Meßreihen und veranschaulicht die gute Reproduzierbarkeit der Experimente. Die Anpassung der Simulation an das Experiment erfolgt über die Wahl des mittleren Inselabstandes im Modell. (Rechnungen: R. Pfandzelter) (Fig.1 aus PIW00)

In der Nukleationstheorie kann die Inseldichte N für ideales zweidimensionales Wachstum auf isotropen Substraten durch

beschrieben werden [VEN87]. Der Diffusionskoeffizient wird neben der Versuchsfrequenz (Überwindung der Potential-Barriere zwischen benachbarten Gitterplätzen) ny0 vom Verhältnis der Diffusionsbarriere Ed zur thermischen
Energie (~kT) bestimmt. Aus der Variation der Substrat-Temperatur T und der Depositionsrate F (T ap 300..640K, F ap 6x10-4..1x10-1MLs-1) als die experimentell zugängigen Einflußgrößen auf die Nukleationsdichte können dann die kritischen Clustergrößen aus (i+1) Adatomen und eine die lateralen Bindungsverhältnisse im Cluster beschreibende Energie Ei (E1=0) abgeschätzt werden. Im Bereich der niedrigen Temperaturen, bei denen bereits Dimere stabile Wachstumskeime bilden (i=1), läßt sich die Diffusionsbarriere Ed und mit eta=0.2 [VSH84] auch die Platzwechsel-Versuchsfrequenz ny0 einzelner Atome ermitteln.

In der linken Spalte der Abb. 6-5 sind die spekularen Streuausbeuten bei einigen ausgewählten Temperaturen gezeigt. Deutlich erkennbar variiert die minimale Streuausbeute im Bereich einer halben Monolage abhängig von der Nukleationsdichte N. Die aus diesen Messungen ermittelten Inseldichten sind in der rechten Spalte der Abb. 6-5 über der Depositionsrate aufgetragen und mit den theoretischen Anstiegen entsprechend der kritischen Keimgrößen verglichen (ln(N)~(i/i+2)ln(F)+c(T,i)).<9>


64

Abb. 6-5 Spekulare Streuausbeute (25keV He+ phi-grin=1.7°) beim Wachstum von Fe/Fe(100) für verschiedene Temperaturen und Wachstumsraten (links) zur Ermittlung der Sättigungsinseldichte (rechts), mit deren Hilfe die kritische Keimgröße bestimmt wird. Die theoretischen Anstiege für verschiedene Werte von i (i+1=kritische Keimgröße) sind zum Vergleich eingetragen. Die unterschiedlichen Skalen der Inseldichte ergeben sich aus verschiedenen Modellverteilungen (gamma-Verteilung) der Inselgrößen [PFA99].

Die Unbestimmtheit im Modell ist hier durch die Unsicherheit in der Größenverteilung der Inseln gegeben [ZW91, JW95, PFA99]. Dennoch kann man mit zunehmender


65

Temperatur eindeutig eine Vergrößerung der kritischen Keimgröße feststellen: Während bei T=440±10K mit i=1.0±0.25 Dimere stabil sind, kann man aufgrund der deutlichen Zunahme von i=1.93±0.23 (stabile Trimere) bei Tap620K über i=3.5±0.5 bei Tap630K auf Werte um i=29±9 bei T=640±20K innerhalb eines engen Temperaturbereiches prinzipiell nicht mehr von wohldefinierten Regimen mit bestimmten
Keimgrößen sprechen.

Abb. 6-6 Ergebnisse der temperaturabhängigen Sättigungsinseldichte aus der streifenden Ionenstreuung (siehe Abb. 6-5 ) im Vergleich mit entsprechenden STM-Daten von Pierce et al. [SPD93] bei einer Depositionsrate von F=(1.15±0.4)x10-2MLs-1 .

Vielmehr muß man hier davon ausgehen, daß ab einem Übergangsbereich um 630K die Bindungsenergie der Adatome auch in größeren Clustern nicht mehr ausreicht, um stabile Inseln nahezu einheitlicher Größe auszubilden und man die kritische Inselgröße nur noch als einen statistischen Wert für die Dynamik der Inselbildung betrachten kann. Diese Dynamik drückt sich auch in der schon erwähnten Fortsetzung des Oberflächen-Reifeprozesses nach Unterbrechung der Deposition und dem Einsetzen des Step-Flow-Wachstums bei erhöhten Temperaturen aus. So zeigt das langsame Ansteigen der Streuintensität nach Unterbrechung des Teilchenflusses bei 590±15K in der Abb. 6-3 an, daß bei hohen Temperaturen eine erhebliche Umstrukturierung der Oberfläche durch den Zerfall bereits bestehender Inseln (und Terrassen) stattfindet.

In der Abb. 6-6 sind die temperaturabhängigen (Sättigungs-)Inseldichten bei konstanter Depositionsrate (F=(1.15±0.4)x10-2 MLs-1) gezeigt. Man findet eine sehr gute Übereinstimmung mit den Inseldichten, die bei gleicher Depositionsrate aus STM-Daten von Stroscio et al. [SPD93] ermittelt wurden. Der von den Autoren angegebene Wert für die Diffusionsbarriere von Ed=0.45eV wird hier aus einem linearen Fit an die Inseldichten zwischen 300K und 500K mit Ed=(0.44±0.05)eV bestätigt. Die Platzwechsel-Versuchsfrequenz der Adatome ergibt sich hier zu ny0=2x1011±0.7s-1. Weiterhin erkennt man auch an dieser Darstellung den Übergang vom Regime i=1 (stabile Dimere) zu größeren kritischen Keimgrößen im Temperaturbereich um 520..540K (1/Tap1.9x10-3 K-1).


66

Zusammenfassend ist festzustellen, daß die streifende Ionenstreuung eine geeignete Methode zur quantitativen Untersuchung von Wachstumsprozessen in einem weiten Bereich angewandter Temperaturen und Aufdampfraten sowohl im Sub-Monolagen-Bereich als auch für das fortgesetzte Lagenwachstum ist. Die Analyse der spekularen Streuintensität auf der Grundlage von Monte-Carlo-Computersimulationen mit Modellen der klassischen Mechanik liefert im Zusammenhang mit der Nukleationstheorie quantitative Ergebnisse relevanter Größen zur Beschreibung des Wachstumsprozesses auf atomarer Skala, die mit den Ergebnissen von STM-Untersuchungen als direkt abbildende Meßmethode gut übereinstimmen. Aufgrund der Beobachtung des Wachstums in Echtzeit und in situ ist es sogar möglich, die Dynamik von Wachstum und anschließenden Reifeprozessen über einen großen Bereich von Wachstumsgeschwindigkeiten und -temperaturen zu studieren.

6.2 Cr-Filme auf Fe(100)

Das heteroepitaktische System Cr/Fe(100) hat aufgrund der interessanten magnetischen Eigenschaften der Cr-Filme und des Mehrlagen-Systems Fe/Cr/Fe(100) (Abschnitt 7.2 ) in den letzten Jahren beträchtlich an Aufmerksamkeit gewonnen. Aufgrund wiederholt aufgetretener Diskrepanzen in experimentellen wie auch theoretischen Studien zu den magnetischen Kopplungseigenschaften zwischen Cr-Film und Fe-Substrat (Abschnitt 7.3 ) erschien eine detaillierte Untersuchung der Wachstumsphänomene in diesem System als mögliche Ursache für die unterschiedlichen Ergebnisse unausweichlich. Dabei stellte sich heraus, daß es im Gegensatz zu homoepitaktischen Systemen nicht ausreicht, nur die morphologische Struktur des Films zu betrachten, sondern auch Interdiffusionsprozesse an der Grenzfläche zum Substrat berücksichtigt werden müssen [PIW96, VH96, HCM00]. Unter Einbeziehung sowohl der morphologischen als auch der chemischen Struktur der Grenzfläche sind zahlreiche Meßergebnisse zu den magnetischen Eigenschaften des Systems Cr/Fe(100) erneut zu diskutieren [z.B. TWF98].

In den folgenden Abschnitten sind die Ergebnisse zum Wachstums von Cr-Filmen auf Fe(100) aus den Untersuchungen mit der streifenden Ionenstreuung dargestellt [IPW96, PIW96, PIW97b, PIW97c].

6.2.1 Morphologische Struktur der Cr-Filme

Wie im Abschnitt 6.1 ausführlich dargestellt wurde, können aus der Beobachtung der spekularen Streuausbeute beim epitaktischen Filmwachstum wesentliche strukturelle und dynamische Größen zur Beschreibung des Wachstumsprozesses gewonnen werden. Neben der qualitativen Veranschaulichung des Wachstumsmodus von mehrlagigen Filmen gewinnt man aus dem Vergleich mit Simulationsrechnungen insbesondere für das anfängliche Wachstum im Sub-Monolagen-Bereich Aussagen zu mittleren Inselabständen, zur Diffusionsbarriere bei der Adatom-Diffusion sowie in einigen Fällen zum Reifeprozeß und zum Füllungsgrad der atomaren Lagen.

Zur Überprüfung der geometrischen Anordnung der Cr-Atome in dem aufgewachsenen Film wurde zunächst die Fokussierung beim achsialen Channeling ausgenutzt (vgl. Abschnitt 5.1.1 ). Dazu wurde an der sauberen Fe(100)-Oberfläche


67

und einem darauf aufgewachsenen Cr-Film (ominus=1ML) die spekulare Streuausbeute unter Variation des azimutalen Einfallswinkels theta im Bereich des <001>-Kanals aufgenommen ( Abb. 6-7 ). Sowohl für die saubere als auch die mit einer Monolage bedeckte Fe(100)-Oberfläche findet man den gleichen Verlauf der spekularen Streuausbeute beim Übergang vom planaren zum achsialen Channeling mit übereinstimmender Richtung der Fokussierung im <001>-Kanal. Dies zeugt vom pseudomorphen Wachstum des Cr-Films, wie es aus der übereinstimmenden bcc-Struktur von Fe und Cr mit vergleichbaren Gitterkonstanten (aFe=2.866Å, aCr=2.885Å) zu erwarten ist.

Abb. 6-7 Vergleich der spekularen Streuausbeute bei der Streuung von 25keV H+ an Fe(100) und 1ML Cr/Fe(100) unter azimutaler Drehung des Targets für (a) phi-grin=1.03° bzw. (b) phi-grin=2.09°.Fig.1a/c aus PIW97b

Der Wachstumsmodus der Cr-Filme wurde analog zur Fe/Fe(100)-Homoepitaxie durch die kontinuierliche Aufnahme der spekularen Streuausbeute im Bereich des planaren Channeling (ca. 6° neben dem <001>-Kanal) beobachtet. Die für das (quasi) lagenweise Wachstum typischen Oszillationen sind für eine Depositionsrate von F=(1.68±0.14)x10-3 MLs-1 in der Abb. 6-8 dargestellt. Auch hier findet man für Temperaturen um 400K ein transientes lagenweises Wachstum der Cr-Filme. Die deutliche Abnahme der Streuintensität zu Beginn des Wachstums ist auf eine hohe Nukleationsdichte zurückzuführen. Die stetige Abnahme der Intensitätsmaxima zeigt, daß die Qualität der Filmoberfläche mit jeder weiteren Lage abnimmt, was mit einer Zunahme der Oberflächenrauhigkeit durch gleichzeitiges Wachstum in mehreren Lagen zu erklären ist.

Bei ca. 620K deutet die über mehrere Lagen hohe Streuausbeute auf ein deutlich besseres Lagenwachstum des Cr-Films. Während hier im Bereich der ersten Monolage die Regime der Nukleation, Aggregation und Koaleszenz noch vergleichsweise deutlich zu trennen sind, gehen diese Prozesse in den folgenden Lagen ineinander über. Folglich tritt hier die gleichzeitige Beteiligung mehrerer Lagen am Wachstumsprozeß in den Vordergrund. Die nur noch schwach ausgeprägten Oszillationen sind vergleichbar mit dem Step-Flow-Regime beim idealen Wachstum der Fe-


68

Filme (vgl. Abb. 6-3 ), wobei sich das Wachstum hier vorrangig von den bereits gewachsenen Inseln fortsetzt, was effektiv einer verringerten mittleren Terrassenbreite entspricht.

Abb. 6-8 Spekulare Streuausbeute (25keV He+ phi-grin=1.7°) beim Wachstum von Cr/Fe(100)

Dennoch ist die Qualität der Cr-Filme bei gleicher Wachstumstemperatur nicht so gut wie die der Fe-Filme. Das wird durch den Vergleich mit dem Verlauf der spekularen Streuausbeute beim homoepitaktischen Wachstums von Fe/Fe(100) (im Bereich der ersten Monolage) bei vergleichbarer Depositionsrate deutlich ( Abb. 6-9 ). Am Cr-Film zeigt sich anhand der Minima eine höhere Nukleationsdichte und anhand der niedrigeren Maxima bei nomineller Bedeckung von ca. einer Monolage die nicht so vollständige Füllung der Lage. Dieses Verhalten kann primär der höheren Diffusionsbarriere im System Cr/Fe(100) von Ed,Cr/Fe(100)=0.9±0.2eV [IGE96] gegenüber Ed,Fe/Fe(100)=0.45eV für Fe/Fe(100) zugeschrieben werden.

Aus dem Vergleich mit den Simulationsrechnungen [PIW97b] erhält man für die Cr-Filme in der Abb. 6-8 (Fap1.7×10-3MLs-1) Nukleationsabstände von Lap30Å bei Tap360K, Lap50Å bei Tap430K und Lap400Å bei Tap620K. Diese Werte sind stehen in guter Übereinstimmung mit STM-Aufnahmen [PSU94, DSP96], bei denen ähnliche Parameter für das Wachstum von Cr auf Fe(100)-Whiskern verwendet wurden.

Eine zuverlässige Abschätzung für den Füllungsgrad der atomaren Lage bei einer nominellen Bedeckung von einer Monolage aus der spekularen Streuintensität ist besonders bei entsprechend niedrigen Intensitäten schwierig. Dies ist dadurch begründet, daß kleine "Löcher" entlang der Trajektorie deutlich weniger als bereits entstandene Inseln gleicher Größe auf dieser Lage zur Abnahme der spekularen Streuausbeute beitragen, da der Sprung im exponentiellen Oberflächenpotential an einer Aufwärtsstufe deutlich größer als an einer Abwärtsstufe ist.<10> Eindrucksvoll wird dieses Verhalten durch die Verschiebung des Minimums zu kleineren


69

Bedeckungen bei Zunahme der Nukleationsdichte und der damit verbunden Zunahme solcher "Löcher" im Bereich der Koaleszenz wiedergegeben. Da die Nukleationsdichte den Füllungsgrad der Monolage im Bereich der angewendeten Depositionsraten nur unwesentlich beeinflußt (vgl. linke Spalte von Abb. 6-5 ), kann im günstigen Fall einer starken Intensitätsabnahme (hohe Nukleationsdichte und Step-Flow vernachlässigbar) zu Beginn des Filmwachstums aus der Intensitätshöhe bei ominus=1ML die Bedeckung in der zweiten Lage abgeschätzt werden. Diese Abschätzung ist wegen der Vernachlässigung der Löcher im Film als eine Obergrenze für die Bedeckung auf der ersten Lage zu betrachten. Bei dieser konservativen Abschätzung ergibt sich für die Cr-Monolage bei Tap360K ein Füllungsgrad von 88±2% und bei Tap430K von 91±2% ( Abb. 6-8 ).

Schwieriger wird eine derartige Abschätzung bei erhöhten Temperaturen, da hier in zunehmendem Maße mit dem Wachstum durch Aggregation an Terrassenkanten des Substrats (Step-Flow) zu rechnen ist, wobei die Struktur der Oberfläche quasi erhalten bleibt. Davon zeugt auch der in der Messung bei hohen Temperaturen stets geringere Abfall der Streuintensität gegenüber der Simulation mit reinem "Inselwachstum" [PIW97b] (vgl. Abb. 6-4 ). Da man von einer vollständigen Füllung der Monolage ohne Nukleation in der nächsten Lage nur ausgehen kann, wenn das Ausgangsniveau bei der Streuung an der unbedeckten Substrat-Oberfläche wieder erreicht wird (vgl. Abb. 6-5 ), ist aus dem Vergleich mit der Messung bei Tap430K davon auszugehen, daß der Füllungsgrad der Cr-Monolage für die Hochtemperaturmessung in der Abb. 6-8 (Tap620K) etwa 95% beträgt.

Abb. 6-9 Vergleich der spekularen Streuausbeute (25keV He+ phi-grin=1.7°) beim Wachstum von Cr/Fe(100) (Symbole) und Fe/Fe(100) (Linien) bei gleicher Wachstumsrate.

Zusammenfassend kann man feststellen, daß die Cr-Filme auf Fe(100) aus morphologischer Sicht epitaktisch und nahezu lagenweise wachsen. Während die Filme bei ca. 620K über mehrere Monolagen sehr glatt aufwachsen, findet man mit abnehmender Temperatur einen Übergang zum transient lagenweisen Wachstum, bei dem sich das Wachstum mit zunehmender Filmdicke in mehreren Lagen gleichzeitig fortsetzt.


70

6.2.2 Chemische Struktur dünner Cr-Filme auf Fe(100)

Die chemische Struktur lagenweise gewachsener ultradünner Cr-Filme auf Fe(100) wurde mittels der Auger-Elektronen-Spektroskopie studiert. Wie bereits im Abschnitt 2.3 erwähnt, wird die Auflösung des Konzentrationsprofils durch die Analyse von Auger-Linien einerseits aus der Anregung mit 4keV-Primär-Elektronen verschiedener Energien (M23VV, L3VV) und damit auch unterschiedlicher Signaltiefen [FG92] sowie aus der Anregung mit streifend gestreuten 25keV-Protonen (M23VV) mit Sensitivität auf die oberste Atomlage erreicht [PL93].

In der Abb. 6-10 sind zunächst die Elektronen- und Protonen-induzierten Auger-Spektren N(E) im Bereich der M23VV-Linie von Cr und Fe für das saubere Fe(100)-Substrat und bei ca. 600K gewachsene Cr-Filme (ominus=1ML bzw. ominus=4ML) gezeigt. Das Protonen-induzierte Signal der Fe-Linie ist bei der Bedeckung mit einer Monolage Cr gegenüber dem unbedeckten Substrat zwar erheblich verringert, aber immer noch deutlich sichtbar. Auch die Cr-Linie hat noch nicht ihre endgültige Höhe erreicht. Erst bei größeren Bedeckungen (hier 4ML) findet man das typische Spektrum einer reinen Cr-Oberfläche. Da bei gut ausgeprägtem Lagenwachstum ohne Interdiffusion das Protonen-induzierte Auger-Spektrum aufgrund seiner Empfindlichkeit auf die oberste Atomlage von einem morphologisch glatten Film bereits ab einer Bedeckung mit einer Monolage nur noch das konstante Signal des Adsorbats zeigt [PL93], wird bereits hier die Grenzflächen-Interdiffusion von Cr und Fe deutlich. Auch die Beschränkung der Interdiffusion auf die Lagen in unmittelbarer Nähe zur Grenzfläche Cr/Fe ist aus dem verschwundenen Fe-Signal im Protonen-induzierten Spektrum von 4ML Cr/Fe abzulesen.

Abb. 6-10 Vergleich der M23VV-Auger-Spektren N(E) für Fe(100) und Cr/Fe(100) nach Anregung mit 4keV Elektronen (phi-grin~33°) und 25keV Protonen (phi-grin~1.5°). (Fig.2 aus PIW97c)

Für das Elektronen-induzierte Signal der M23VV-Linie fällt die Änderung der Signalhöhen aufgrund der größeren Signaltiefe deutlich schwächer aus. Die Ermittlung eines quantitativen Konzentrationsprofils aus den Auger-Spektren erfordert hier die genaue Kenntnis der Signaltiefe. Dafür wurde das Wachstum über mehrere Lagen kontinuierlich durch die gleichzeitige Aufnahme von Elektronen-induziertem Auger-Signal und spekularer Streuausbeute von 25keV-He+-Ionen


71

beobachtet, so daß man einerseits eine sichere Zuordnung des Auger-Signals zur Filmdicke und andererseits den Signalverlauf im Bereich sauberer Cr-Lagen (ominus>3ML) erhält [IGE96]. Die typische Abnahme der Elektronen-induzierten Fe-M23VV-Linie (E=47eV, peak-to-peak Höhe nach numerischer Differentiation des N(E)-Spektrums) beim lagenweisen Wachstum von Cr auf Fe(100) ist in der Abb. 6-11 wiedergegeben. Das entsprechende Cr-Signal bei E=41eV ist aufgrund der Grenzflächeninterdiffusion zunächst kaum zu detektieren, zeigt jedoch oberhalb etwa einer Monolage Cr-Bedeckung einen deutlichen Anstieg und konvergiert bald gegen einen konstanten Wert. Im Bereich eines quasi reinen und stationären Cr-Wachstums (oberhalb ominus=2ML) kann bei einer exponentiell mit der Tiefe abfallenden Austrittswahrscheinlichkeit für die Auger-Elektronen aus den Fe-Auger-Signalen durch Vergleich der Signalhöhen aufeinanderfolgender Lagen unter der Voraussetzung eines konstanten Anregungsquerschnitts bis in das Fe-Substrat die Signaltiefe bestimmt werden [IPW98]. Die Auswertung mehrerer Meßreihen ergab für die Fe-M23VV-Linie bei E=47eV eine Signaltiefe von lambda=2.2±0.2ML. Eine entsprechende Analyse der Fe-L3VV-Linie bei E=703eV liefert eine Austrittstiefe von lambda=5.9±0.4ML.

Abb. 6-11 Normiertes Auger-Signal von Fe und Cr beim Wachstum von Cr/Fe(100) bei Tap600K (peak-to-peak-Höhe der M23VV-Linien im numerisch abgeleiteten Spektrum dN(E)/dE) nach Anregung mit 4keV Elektronen. Bei ominusCR=4.7ML wurde das Wachstum unterbrochen (durchgezogene Linie).

Unter Berücksichtigung der Detektionsgeometrie stehen diese Werte in guter Übereinstimmung mit theoretisch berechneten mittleren freien Weglängen inelastisch gestreuter Elektronen bei diesen Energien von lambda=2.7 bzw. 6.1ML [TPP91, NTT80].

Die unterschiedlich starke Abnahme der Auger-Signale aufgrund der verschiedenen Signaltiefen ist für das Wachstum der ersten beiden Monolagen Cr auf Fe(100) bei T=600±30K in der Abb. 6-12 deutlich sichtbar. Aus dem Protonen-induzierten Auger-Signal kann man wegen der Anregung nur in der Oberflächenlage direkt auf die aktuelle Fe-Konzentration in der Film-Oberfläche schließen. Um auch die Cr-Konzentration in den tieferen Lagen zu ermitteln, wurde diese bei der Berechnung der theoretischen Signalhöhe innerhalb der oberen fünf Lagen kontinuierlich variiert. Aus dem Vergleich mit den experimentellen Werten bei ominus=1ML bzw. ominus=2ML erhält


72

man das Konzentrationsprofil in den oberflächennahen Lagen. Danach ergibt sich für den 1ML-Cr-Film in der obersten Lage ein Cr-Anteil von 45±3%. In der ersten Lage unter der Oberfläche (oberste Substratlage) befinden sich 55±5% Cr und in die zweite Lage unter der Oberfläche ist quasi kein Cr diffundiert (0±10%)<11>. Dieses Ergebnis zeigt, daß der Austausch von Cr-Atomen hier überwiegend nur mit Fe-Atomen der obersten Substratlage erfolgt und tiefere Schichten an der Interdiffusion nicht beteiligt sind. Beim Wachstum der zweiten Lage kann der Austausch von deponierten Cr-Atomen nur noch mit deutlich weniger Fe-Atomen an der Oberfläche stattfinden, was zu einer weiteren Verringerung der Fe-Konzentration mit zunehmender Filmdicke führt. So findet man bei ominus=2ML aus den Signalhöhen eine Verteilung des Cr auf die obersten drei Atomlagen mit 70±5% in der Oberflächenlage, 92±8% in der ersten und 30±25% in der zweiten Lage unter der Oberfläche.

Mit zunehmender Filmdicke verschwindet der Anteil von Fe an der Oberfläche. Das Auger-Signal der Fe-Linie im Protonen-induzierten Auger-Signal beträgt bei ominus=3ML noch 12.5±3% und ist bei ominus=4ML mit 5±3% bzw. bei ominus=5ML mit 3±3% kaum noch auszumachen<12>. Ab einer Gesamtbedeckung von ca. 4ML findet sich also im Rahmen der Meßgenauigkeit kein Fe mehr in der obersten Atomlage, d.h. ab hier wächst ein reiner Cr-Film.

Abb. 6-12 Vergleich der Fe-Auger-Signale mit unterschiedlichen Informationstiefen (siehe Text) beim Wachstum der ersten zwei Monolagen Cr/Fe(100) (Tap600K, F=1×10-3MLs-1).

Obgleich die Berechnung des Konzentrationsprofils nur für die vollen Monolagen durchgeführt wurde, kann man aufgrund des (lagenweise) linearen Verlaufs der Auger-Signale von einer gleichmäßigen Änderung des Cr-Anteils in der Oberfläche


73

ausgehen. Dies ist für die Entwicklung eines entsprechenden Wachstums-Modells wesentlich (siehe Abschnitt 4.2 ).

Ein Vergleich der hier erhaltenen Daten mit den veröffentlichten Studien anderer Gruppen ist nur bedingt möglich, da nur Sub-Monolagen-Bedeckungen von Cr/Fe studiert wurden. So finden Venus et al. [VH96] mittels Auger-Elektronen-Beugung für eine halbe Monolage Cr/Fe(100) bei einer Wachstumstemperatur von 570K ein Konzentrationsprofil von 51±4% Cr in der obersten Atomlage, 30±4% Cr in der ersten und 19±4% in der zweiten Lage unter der Oberfläche. In den STM-Studien von Davis et al. [DSP96] wurden insbesondere Cr-Bedeckungen bis ca. 0.2 ML studiert, wobei die elementspezifische Abbildung durch die Sensitivität auf Oberflächenzustände des Fe und Cr in atomarer Auflösung erreicht wurde. Hier finden die Autoren bei 570K sowohl in der Substratlage als auch in den Inseln jeweils 22±3% der gesamten deponierten Cr-Menge, so daß auch hier etwas mehr als 50% Cr unter der Oberfläche eingelagert ist.

Inzwischen veröffentlichte theoretische Studien zum Wachstum von Cr/Fe [NWZ98, WND98] bestätigen die Interdiffusion aus energetischen Gründen, wobei der Austausch der Atome während der Oberflächendiffusion favorisiert wird und sich das Wachstum der Inseln dementsprechend über die Aggregation von Cr- und Fe-Atomen fortsetzt. Diese Ergebnisse sind mit den Resultaten aus den hier vorgestellten Studien gut vereinbar und zeigen die starke Tendenz der Grenzflächeninterdiffusion während des anfänglichen Wachstums von Cr auf Fe(100).

Anhand der zeitlichen Stabilität des Auger-Signal-Verhältnisses Cr/Fe nach dem Wachstum der ersten Monolage Cr ( Abb. 6-13 ) kann man ablesen, daß die Austauschprozesse an der Oberfläche schon während des Wachstums weitestgehend abgeschlossen sind. So findet man nur für das Protonen-induzierte Signal, dessen Signaltiefe auf die Oberflächen-Lage begrenzt ist, im Anschluß an die Deposition noch eine sichtbare Änderung, die im Laufe der Zeit aber abklingt. Auch für das Elektronen-induzierte Signal ist die geringfügige Abnahme nach der Deposition noch zu sehen, was nicht verwundert, da die Oberfläche hier bei einer Signaltiefe von ca. 2.4ML noch einen erheblichen Anteil am Gesamtsignal hat. Für das hochenergetische L3VV-Signal, dessen Informationstiefe schon etwa 6ML ausmacht, fallen die reinen Oberflächen-Prozesse nicht mehr so stark ins Gewicht und das Signal bleibt auf konstanter Höhe. Die leichte Abnahme der M23VV-Signal-Verhältnisse kann hier also in der Hauptsache auf die bei ca. 620K noch stattfindenden strukturellen Umordnungen an der Oberfläche nach der Deposition zurückgeführt werden (vgl. Fe/Fe(100) in Abschnitt 6.1 ). Das Cr bleibt dabei in den obersten Atomlagen, in die es während des Wachstums der ersten Lage eingebaut wurde. Erst bei Temperaturen oberhalb etwa 800K kommt es zu einer deutlichen Interdiffusion des deponierten Cr in das Volumen, was mit einer sichtlichen Abnahme der Auger-Signal-Verhältnisse Cr/Fe auch für größere Informationstiefen einhergeht.

Dies bestätigt auch noch einmal die überwiegende Einlagerung des Cr nur in oberflächennahe Schichten während des Wachstums bei Temperaturen deutlich unter 800K.


74

Abb. 6-13 Auger-Signal-Verhältnis Cr/Fe unterschiedlicher Informationstiefen von 1ML Cr/Fe(100) während des Wachstums und nach Abschluß der Deposition sowie beim anschließenden Tempern zur Untersuchung der Filmstabilität gegenüber Eindiffusion.

6.3 Mn-Filme auf Fe(100)

Mn-Filme auf Fe(100) sind durch ihre kontrovers diskutierten magnetischen Eigenschaften in den letzten Jahren vermehrt Gegenstand entsprechender Studien geworden. Dabei spielte die Untersuchung der Wachstumseigenschaften nur eine untergeordnete Rolle, obwohl aus theoretischen Studien hervorgeht, daß diese einen nicht unerheblichen Einfluß auf die magnetischen Kopplungseigenschaften zum Fe(100)-Substrat haben können [WF95, HB98], was für den Fall morphologischer Unterschiede der Mn-Zwischenschicht im System Fe/Mn/Fe(100) bereits experimentell bestätigt werden konnte [TUC00]. Auch dem theoretisch vorhergesagten Einfluß einer möglichen Grenzflächen-Interdiffusion beim Wachstum [NWZ97, HB98] analog zum System Cr/Fe(100) wurde experimentell bislang nur ansatzweise nachgegangen [WH93, AFB98, TUC00].


75

Die bisherigen Untersuchungen zum Wachstum von Mn auf Fe(100) beschränken sich überwiegend auf Temperaturen um 300K. Lediglich in einer jüngeren Studie von Tulchinsky et al. [TUC00] wurde das Wachstum von Mn/Fe(100) auch bei höheren Temperaturen im Zusammenhang mit den magnetischen Eigenschaften des Filmsystems mittels RHEED untersucht.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Wachstum der Mn-Filme mit der streifenden Ionenstreuung und Auger-Spektroskopie in Anlehnung an die erfolgreichen Studien der Cr-Filme auf Fe(100) in einem Temperaturbereich von 300..600K analysiert. Besondere Aufmerksamkeit wurde dabei dem Verhalten bei Filmdicken um vier Monolagen gewidmet, da hier offenbar strukturelle Änderungen auftreten.

6.3.1 Morphologische Struktur der Mn-Filme

Mn kann in vier verschiedenen Modifikationen auftreten: Bei niedrigen Temperaturen sind die einfach kubischen alpha- und beta-Modifikationen mit großen Einheitszellen stabil (afctap3.8Å, cfctap3.5..3.6Å [KTM96]), während bei hohen Temperaturen die fcc(gamma)- und bcc(delta)-Phasen auftreten. Obwohl die bcc-Struktur bei Raumtemperatur bisher nicht stabilisiert werden konnte, gibt es Hinweise, daß diese Phase beim Wachstum auf verschiedenen Substraten bei Raumtemperatur präpariert werden kann [HAL87, JKP89, EJR90]. So finden Purcell et al. [PJM92] aus LEED-Studien an auf Fe(100) bei 325K gewachsenen Mn-Filmen verschiedener Filmdicken eine gute Anpassung der lateralen Gitterstruktur an das Fe(100). An einem ~15ML dicken Film wurde auch die vertikale Gitterkonstante des bct-verspannten Mn zu c=3.27Å bestimmt. Weiterhin berichten die Autoren von einem mit der Filmdicke zunehmenden diffusen Untergrund in den LEED-Bildern und deutlichen Strukturänderungen bei Filmdicken um 20ML. Die begleitenden RHEED-Oszillationen dieser Studie zeigen wiederholt stark gedämpfte Oszillationen mit verschwindender Intensität bei ominusap20±5ML und regelmäßig eine Änderung in Amplitude und Phase bei ca. 2 Monolagen Mn-Bedeckung. Bei der Filmdicke von 2..3ML (T=300K) berichten Kim et al. [KTM96] aus LEED-Untersuchungen von einem vertikalen Mn-Lagenabstand um 1.3Å, der bei dickeren Filmen (~14ML) in guter Übereinstimmung mit dem Ergebnis von Purcell et al. auf 1.614Å angewachsen ist. Andrieu et al. [AFB98] finden bei ca. 300K aus Röntgenabsorptionsmessungen einen Interlagenabstand im Mn-Film von ca. 1.4Å im Bereich der ersten 4ML, der bis ominus~20ML auf ca. 1.5Å anwächst. Ausführlichere RHEED-Studien von Tulchinsky et al. [TUC00] bestätigen eine deutliche Änderung der Oberflächen-Morphologie des Mn-Films sowohl bei ominus~4ML als auch bei ominus~20ML für Temperaturen zwischen ca. 300K und 520K.

Dies alles weist auf ein transient lagenweises Wachstum des Mn-Films bei ca. 300K hin, wobei strukturelle Änderungen bei ominusap2ML und ominusap20ML vermutet werden. Eine Abschätzung der Gitterfehlanpassung als einen wesentlichen Parameter für das Sub-Monolagen-Wachstum und als Ursache für Strukturänderungen erfolgt aus der Extrapolation der bcc-Hochtemperatur-Gitterkonstante auf Raumtemperatur (aMn=2.95Å) und liefert einen Wert von ca. 3.2% [PJM92].

Zur Überprüfung der lateralen Struktur dünner Mn-Filme auf Fe(100) wurden analog zu den Cr-Filmen (vgl. Abschnitt 6.2.1 ) Azimut-abhängige Messungen mit der streifenden Streuung von 25keV He+-Ionen am Fe-Substrat und bei verschiedenen


76

Filmdicken durchgeführt. Statt der spekularen Streuausbeute wurde hier der Targetstrom aufgenommen, da dieser unempfindlicher gegenüber der Morphologie ist. Die Sensitivität auf die niedrigindizierten Richtungen und deren laterale Atomabstände der Oberfläche bleibt bei nicht zu kleinen Inselgrößen erhalten und die Sekundärelektronenausbeute entlang der Kanalrichtungen wird aufgrund der vergleichbaren Ordnungszahl und Elektronendichte von Fe und Mn wenig beeinflußt [BSV75, PIW97d]. Die Ergebnisse dieser Studien beim Wachstum der Mn-Filme mit T=300K sind in der Abb. 6-14 dargestellt. Wie man sieht, bleibt die Struktur der Targetstromkurven von der unbedeckten Fe(100)-Oberfläche auch bei der Bedeckung mit mehreren Mn-Lagen erhalten. In allen Kurven sind die Strukturen des quadratischen bcc-(100)-Oberflächen-Gitters für mindestens fünf verschiedene Kanalrichtungen an unveränderter Position zu finden (vertikale Linien). Demzufolge wachsen die Mn-Filme epitaktisch in einem quadratischen Gitter parallel zum Substrat-Gitter.

Abb. 6-14 Normierter Targetstrom als Funktion des azimutalen Einfallswinkels (He+, 25keV, phi-grin=1.75°) für die saubere und Mn-bedeckte Fe(100)-Oberfläche bei einer Wachstumstemperatur von 300K. Die vertikalen Linien zeigen die niedrigindizierten Kanalrichtungen des quadratischen Oberflächen-Gitters an.

Aus der unveränderten Breite der Peaks kann man prinzipiell auf die näherungsweise Erhaltung der Atomabstände entlang der Kanäle schließen. Allerdings ist die experimentelle Auflösung der Strukturen nicht ausreichend, um etwaige Relaxationen des Films in der Größenordnung der Gitterfehlanpassung von ~3% mit Sicherheit festzustellen. Eine genaue Beobachtung des Targetstroms bei der Streuung um die <001>-Richtung zeigt anhand des Intensitätseinbruchs bei der Streuung parallel <001>, daß auch der Fokussierungseffekt durch die Atomreihe in der zweiten Atomlage im bcc-Gitter für alle untersuchten Filmdicken vorhanden ist. Demzufolge kann man auf das pseudomorphe Wachstum der untersuchten Mn-Filme schließen. Bestätigt wird dieser Befund durch begleitende LEED-Untersuchungen, in denen sowohl bei 300K als auch bei 600K gewachsene Mn-Monolagen ein unverändertes (1x1)-Beugungsbild - aber mit höherem Untergrund gegenüber dem Fe(100) - beobachtet wurde. Für die von Wu und Freeman vorhergesagte c(2×2)-Rekonstruktion vertikaler Atomabstände in der Mn-Monolage ("buckling") wurden keine Hinwiese in der Form von Überstrukturen im LEED-Bild gefunden.


77

Zur Untersuchung des Wachstumsmodus der Mn-Filme wurde kontinuierlich die spekulare Streuintensität von 25keV H+-Ionen aufgenommen. Dabei wurde die Temperatur zwischen 300 und ca. 600K variiert. Wie bei den Cr-Filmen findet man mit zunehmender Temperatur aus der Erhöhung der spekularen Streuausbeute eine Verbesserung der Filmstruktur ( Abb. 6-15 ). Die Oszillation der Streuausbeute zeigt auch hier die periodische Änderung der Oberflächenmorphologie eines (quasi) lagenweisen Wachstums der dünnen Filme an. Dennoch zeugen der kontinuierliche Abfall der Streuintensität und die nur schwache Ausbildung der Intensitätsmaxima der Monolagen von einem raschen Übergang zu einer rauhen Filmoberfläche durch das frühzeitige Einsetzen einer Nukleation in der folgenden atomaren Lage.

Eine grobe Abschätzung aus dem Intensitätsverlauf liefert bei der nominellen Bedeckung mit einer Monolage für Temperaturen um 600K einen Füllungsgrad der ersten Lage von ca. 80% und bei Raumtemperatur von ca. 73%, was deutlich unter den entsprechenden Werten für die Cr-Filme (95% bzw. 85%) liegt.

Der vergleichbar starke Abfall der Streuintensität zu Beginn des Wachstums zeugt vom einsetzenden Nukleationsprozeß im gesamten untersuchten Temperaturbereich. Demzufolge findet sich selbst bei ca. 600K kein Hinweis auf das Einsetzen des Step-Flow-Regimes, was hier im Vergleich zum Fe und Cr eine weitere Erhöhung der Diffusionsbarriere anzeigt. Ein Vergleich der spekularen Streuausbeuten bei ca. einer halben Monolage Mn/Fe(100) aus dem Experiment und der Simulation analog dem Modell bei den Cr-Filmen führt bei der Depositionsrate von Fap2×10-3MLs-1 auf Nukleationsabstände von ca. 25±10Å bei 300K, 90±20Å bei ca. 510K und 250±30Å bei etwa 600K ( Abb. 6-16 ). Diese Werte sind bei vergleichbarer Rate deutlich niedriger als für das System Cr/Fe(100).

Abb. 6-15 Normierte spekulare Streuausbeute von 25keV H+ (phi-grin=1.75°) beim Wachstum von Mn auf Fe(100) unter Variation der Wachstumstemperatur bei Fap2×10-3MLs-1.

Während bei dünnen Mn-Filmen sowohl bei 300K als auch bei 600K das Wachstum noch nahezu lagenweise voranschreitet, findet man ab einer Filmdicke von etwa vier Monolagen deutliche Unterschiede im Wachstumsmodus. Die entsprechenden Messungen der spekularen Streuausbeute sind in der Abb. 6-17 für das Wachstum der Mn-Filme dargestellt. Der bei 600K immer und bei 300K zeitweise beobachtete plötzliche Abfall der Streuintensität bei einer Mn-Bedeckung von ca. vier Monolagen weist auf eine abrupte Erhöhung der Oberflächenrauhigkeit, was mit dem Einsetzen


78

eines verstärkten dreidimensionalen Film-Wachstums gleichzusetzen ist.<13> Aus theoretischer Sicht [TSA93] ergibt sich für das bct-Mn/Fe(100) unter Einbeziehung der Gitterfehlanpassung f=3.2%, der Größe des Burgervektors b=2.866Å und dem Poissonverhältnis ny=0.45 [KTM96] bei einem Lagenabstand von 1.3..1.6Å aus

eine kritische Filmdicke von hc=3..3.5ML, ab der es im Film aufgrund der Relaxation von Gitterverspannungen zu deutlichen Strukturänderungen kommen kann. Das wird in den hier durchgeführten Messungen offensichtlich beobachtet. Diese Interpretation steht in guter Übereinstimmung mit der von Tulchinsky et al. ebenfalls häufig beobachteten abrupten Änderung der RHEED-Oszillationen bei ominusMn~4ML für Wachstumstemperaturen zwischen 300K und 520K [TUC00], während Andrieu et al. eine Phasenverschiebung in den RHEED-Oszillationen bei T=300K schon bei ominusMn~2ML beobachtet haben.

Abb. 6-16 Vergleich von Experiment (Symbole) und Simulation (Linien) der spekularen Streuausbeuten von 25keV H+ beim Wachstum von Mn/Fe(100) zur Bestimmung der Nukleationsabstände [PIW97d].

Die unterschiedliche Wachstumskinetik aufgrund der unterschiedlichen Oberflächendiffusion bei hoher bzw. niedriger Temperatur führt dennoch zu unterschiedlichen Wachstumsmodi: Selbst wenn bei 300K die spekulare Streuintensität ab ominusap4ML auf ein niedriges Niveau fällt, bleibt sie anschließend bis zu Bedeckungen über 10ML nahezu konstant und zeigt bei näherer Betrachtung noch eine lagenweise Oszillation, die auf die Fortsetzung des stationären Wachstums mit mehrlagiger Wachstumsfront weist. Sichtlich anders stellt sich das Wachstumsverhalten des Mn-Films bei hohen Temperaturen dar. Während man bis zu etwa vier Monolagen Mn-Bedeckung gegenüber niedrigeren Temperaturen aufgrund der besseren Ober


79

flächenqualität noch ein vergleichbar hohes Niveau der spekularen Streuausbeute findet, kommt es ab hier mit zunehmender Schichtdicke zu einer kontinuierlichen Abnahme der Streuintensität, die sogar deutlich unter das Niveau der Messung bei niedriger Temperatur sinkt. Dieses Verhalten ist typisch für den Übergang vom Lagen- zum Inselwachstum (Stranski-Krastanov-Mode).

Abb. 6-17 Normierte spekulare Streuausbeute von 25keV H+ (phi-grin=1.75°) beim fortgesetzten Wachstum von Mn auf Fe(100)

Um die Ergebnisse aus den Streumessungen zu untermauern, wurden zusätzliche Messungen mittels Auger-Spektroskopie durchgeführt, die ein geeignetes Mittel zur Unterscheidung von lagenweisem und Insel-Wachstum ist [AR89]. Zweckmäßig für die Untersuchung eines Übergangs im Wachstumsmodus bei der Filmdicke von vier Monolagen ist die Beobachtung der hochenergetischen L3VV-Auger-Elektronen vom Fe-Substrat mit einer Informationstiefe von ca. sechs Monolagen. Insbesondere wird diese Linie aufgrund ihrer energetischen Lage (703eV) nicht von Sekundär-Elektronen angrenzender Fe- oder Mn-Linien (<651eV) beeinflußt, was die quantitative Auswertung begünstigt. Aus den während des Wachstums kontinuierlich aufgenommenen N(E)-Spektren wurde das Auger-Signal aus der peak-to-peak-Höhe des numerisch abgeleiteten Spektrums dN(E)/dE ermittelt. Ein Vergleich mit dem Signalverlauf der Fläche unter der Auger-Linie im normierten N(E)-Spektrum nach Abzug eines linear angepaßten Untergrunds führte zu quantitativ nicht unterscheidbaren Datensätzen.

In der Abb. 6-18 ist der Verlauf der L3VV-Auger-Signale für das Wachstum von mehr als 10 Monolagen Mn auf Fe(100) bei 300K bzw. 600K gezeigt. In beiden Fällen findet man bis etwa vier Monolagen einen praktisch linearen Abfall des Auger-Signals, der für das transient lagenweise Wachstum des Adsorbats steht. Während sich dieser Trend für den bei 300K gewachsenen Film über ominusap4ML hinaus fortsetzt, findet man bei 600K an dieser Stelle einen Knick im Verlauf des Auger-Signals, gefolgt von einer nur noch unmerklichen Abnahme der Signalhöhe. Das bestätigt das Einsetzen eines ausgeprägten Inselwachstums auf dem 4ML-Film bei hohen Temperaturen.

Das Verschwinden der Inselbildung bei niedrigen Temperaturen zeigt, daß das transient lagenweise Wachstum auf der eingeschränkten Diffusion der Adatome beruht und zu einem metastabilen Film mit Verspannungen führt.


80

Abb. 6-18 Elektronen-induziertes Fe-Auger-Signal (L3VV, normiert) beim Wachstum von Mn/Fe(100) bei 300 bzw. 620K.

Um die kritische Temperatur zu finden, bei der die für die Verspannung im metastabilen Film typischen Bindungen überwunden werden können, d.h. bei der der Übergang vom transient lagenweisen Wachstum zum Stranski-Krastanov-Wachstum erfolgt, wurde bei 300K ein 13 Monolagen dicker Mn-Film präpariert und langsam getempert. Während des Wachstums und dem Heizen wurden gleichzeitig das spekulare Streusignal (H+, 25keV, phi-grin=1.75°) und die L3VV-Fe-Auger-Line aufgenommen ( Abb. 6-19 ). Wie erwartet, findet man während des transient lagenweisen Wachstums die starke Abnahme des Auger-Signals und die auf niedrigem Niveau lagenweise oszillierende spekulare Streuintensität. Beim anschließenden (langsamen) Heizen des Films erhöht sich zunächst die Intensität der gestreuten Projektile bei unveränderter Größe des Auger-Signals. Dies ist auf einen Abbau der Oberflächen-Rauhigkeit durch einsetzende Ausheilprozesse an der Film-Oberfläche zurückzuführen. Bei Erreichen einer Temperatur von ca. 420K wird dieser Prozeß von einer starken Zunahme der Oberflächen-Rauhigkeit abgelöst, was durch die plötzliche Abnahme des Streusignals angezeigt wird. Folglich werden bei dieser Temperatur die Verspannungen durch das Aufreißen des Mn-Films abgebaut und dreidimensionale Strukturen gebildet. Zwischen diesen Strukturen können wieder mehr Auger-Elektronen vom Fe-Substrat an die Oberfläche gelangen, was die gleichzeitig einsetzende Erhöhung des entsprechenden Auger-Signals bewirkt.

Diese Zunahme des Auger-Signals beim Aufreißen des Mn-Films ist nicht mit dem Einsetzen einer verstärkten Grenzflächen-Interdiffusion zu verwechseln (wie von Walker et al. [WH93] interpretiert), da diese erst bei deutlich höheren Temperaturen einsetzt, was im nächsten Abschnitt gezeigt wird.

Zusammenfassend ist aus morphologischer Sicht festzustellen, daß Mn-Filme auf Fe(100) epitaktisch und pseudomorph wachsen. Die einzelnen Lagen bilden sich gegenüber den Cr-Filmen auf Fe(100) aufgrund der frühzeitig einsetzenden Nukleation auf Adsorbat-Inseln deutlich schlechter aus. Eine Erhöhung der Temperatur führt zwar zu kleineren Nukleationsdichten, aber zu keiner wesentlichen Verbesserung des anfänglichen Lagenwachstums bezüglich des Füllungsgrades. Während der Abbau von Verspannungen aufgrund der Gitterfehlanpassung von Mn und Fe oberhalb etwa 420K ab einer kritischen Filmdicke von ca. 4 Monolagen zu ausgeprägter Insel-Bildung führt, können die Mn-Filme bei niedrigeren Temperaturen


81

bis zu Filmdicken deutlich über 10 Monolagen metastabil im stationär lagenweisen Wachstum präpariert werden.

Abb. 6-19 Normierte Signale der Fe-L3VV-Auger-Linie und der spekularen Streuausbeute (25keV H+ phi-grin=1.75°) bei Wachstum (300K) und anschließendem Tempern von 13ML Mn auf Fe(100).

6.3.2 Chemische Struktur dünner Mn-Filme auf Fe(100)

Bereits bei der Untersuchung der Cr-Filme auf Fe(100) konnte gezeigt werden, daß es während des Wachstums zu einer erheblichen Interdiffusion an der Grenzfläche kommt (Abschnitt 6.2.2 ). Zur Kontrolle auf vergleichbare Vorgänge wurde auch für die Mn-Filme die chemische Struktur des wachsenden Films im Bereich geringer Schichtdicken studiert. In gleicher Weise wurden hier sowohl die Protonen-induzierte als auch die Elektronen-induzierte Auger-Spektroskopie angewendet. Die quantitative Bestimmung des Auger-Signals der M23VV-Linien vom Mn und Fe stellt sich gegenüber dem System Cr/Fe(100) mit höheren Schwierigkeiten dar, da sich die entsprechenden Auger-Linien zum Teil überlagern (vgl. Abb. 6-20 ). Deshalb konnte das elementspezifische Auger-Signal bei Vorhandensein beider Atomsorten im Bereich der Informationstiefe nicht aus der peak-to-peak-Höhe im numerisch differenzierten Spektrum dN(E)/dE bestimmt werden.

Um dennoch eine quantitative Analyse der Auger-Spektren durchzuführen, wurden zunächst die reinen M23VV-Auger-Signale vom Fe am unbedeckten Substrat und vom Mn an dicken Filmen (ominusge8ML) aus den normierten Spektren ermittelt, um in einem anschließenden "least-square"-Fit die jeweiligen Anteile der Elementspektren


82

im zusammengesetzten Spektrum (Fe+Mn) zu berechnen. Bei dem dafür notwendigen Abzug des Sekundär-Elektronen-Untergrundes wurden verschiedene Methoden angewendet und die Ergebnisse miteinander verglichen. Im einfachsten Fall wurde der Untergrund numerisch durch einen gewichteten Polynomial-Fit dritter Ordnung an die Spektren außerhalb der Auger-Linien ermittelt [HLS76]. Geringfügige Variationen des Untergrundes - insbesondere an der niederenergetischen Kante der Auger-Linien - führten zu keinen signifikanten Änderungen in den ermittelten Anteilen der Elementspektren im zusammengesetzten Spektrum. In den Elektronen-induzierten Spektren konnte für alle Spektren der gleiche Untergrund verwendet werden, da der Sekundärelektronen-Peak (E~10eV) nur wenig von der Morphologie beeinflußt wird. Dagegen kommt es bei der Anregung durch streifend gestreute Protonen mit zunehmender Rauhigkeit des Mn-Films aufgrund der niedrigen Anregungstiefe zu einer relativen Zunahme inelastisch gestreuter Sekundär-Elektronen. Deshalb mußte hier die Höhe des Untergrundes an die jeweiligen Spektren angepaßt werden. Die so ermittelten Untergrundsignale sind in der Abb. 6-20 (oben) als gestrichelte Linien gezeigt. Nach dem Untergrundabzug konnte der Anteil der elementspezifischen Auger-Signale ( Abb. 6-20 unten) berechnet werden um so die Änderung des Auger-Signals beim Wachstum bzw. Tempern der Filme zu ermitteln.

Abb. 6-20 Sekundär-Elektronen-Spektren der sauberen Fe(100)-Oberfläche und eines 8ML dicken Mn-Films nach Anregung mit Elektronen (Ep=4keV) bzw. streifend einfallenden Protonen (25keV, phi-grin=1.5°) mit Sekundär-Elektronen-Untergrund (oben) zur Ermittlung der M23VV-Auger-Signale von Mn und Fe (unten). Der Bereich zur Ermittlung der elementspezifischen Signale aus den gemischten Spektren ist im unteren Teil durch gestrichelte Linien angedeutet.

Zunächst wurde die Stabilität eines 2-Monolagen dicken Mn-Films als Funktion der


83

Temperatur qualitativ untersucht, um festzustellen, ob es wie beim Cr eine Grenze gibt, ab der das Mn eine verstärkte Diffusion in das Fe-Substrat zeigt. Dazu wurde der Mn-Film bei 300K präpariert und anschließend langsam getempert. Gleichzeitig wurden das spekulare Streusignal streifend gestreuter 25keV H+-Projektile zur Kontrolle morphologischer Änderungen und das Elektronen-induzierte Auger-Spektrum im Bereich der M23VV-Linien von Mn und Fe (20..65eV) aufgenommen. Das normierte Verhältnis der Auger-Signale von Fe (47eV) und Mn (40eV) gestattet aufgrund der kleinen Informationstiefe von lambda<3ML Rückschlüsse auf das Löslichkeitsverhalten vom Mn im Fe-Substrat. Anhand der Zunahme des spekularen Streusignals ist ab ca. 400K eine geringfügige Verringerung der Stufendichte durch einsetzende Ausheilprozesse an der Oberfläche festzustellen ( Abb. 6-21 b). Dabei bleibt das Auger-Spektrum nahezu unverändert. Mit dem Auftreten verstärkter thermischer Schwingungen der Oberflächen-Atome ab ca. 650K (vgl. Abschnitt 5.1.3 ) kommt es zu massiven Umordnungen, die sich als Ausheilprozeß in der starken Erhöhung des spekularen Streusignals<14> manifestiert. Simultan steigt das Auger-Signal-Verhältnis deutlich zugunsten des Fe an.

Abb. 6-21 Verhältnis Elektronen-induzierter Auger-Signale (M23VV) von Fe/Mn (a) und spekulare Streuausbeute (25keV-H+, phi-grin=1.7°) (b) von einem bei 300K gewachsenen und anschließend getemperten 2ML-Mn-Film auf Fe(100).

Da angesichts der Zunahme des Streusignals ein Aufreißen des Films als Ursache für die Verstärkung des Fe-Auger-Signals ausscheidet und eine Kontrolle der hochenergetischen Mn-Auger-Linen (542..636eV) nur eine geringe Abnahme im Signal (lambdaap8ML) anzeigt, kann man eindeutig darauf schließen, daß sich das Mn oberhalb etwa 650K im Fe löst. Dementsprechend wurden für die Präparation der Mn-Filme auf Fe(100) nur maximale Temperaturen bis ca. 600K angewendet.


84

In der Abb. 6-22 sind einige Spektren der M23VV-Auger-Linien gezeigt, die im Verlauf des Wachstums von Mn auf Fe(100) bei T=440±20K nach Anregung mit streifender Protonen-Streuung bzw. mit 4keV-Elektronen aufgenommen wurden. Zum Vergleich sind jeweils die Element-Spektren vom unbedeckten Fe(100) und von einem ca. 10ML dicken Mn-Film eingetragen. Wie bei den Cr-Filmen erkennt man auch hier bereits an den Protonen-induzierten Auger-Spektren im Bereich der ersten zwei Monolagen, daß die Oberfläche neben dem Mn auch noch zu einem hohen Maß Fe enthält. Dabei ist der Fe-Anteil bei einer Monolage Mn bedeutend höher als aus dem entsprechenden Bedeckungsgrad von ca. 80% zu erwarten wäre. Folglich findet auch hier eine Interdiffusion an der Grenzfläche statt. Erst ab einer Mn-Bedeckung von ca. 4..5ML ändert sich das Protonen-induzierte Auger-Signal nicht mehr. Das gleiche Verhalten findet man entsprechend der größeren Informationstiefe für die Elektronen-induzierten Auger-Signale bei Bedeckungen mit zwei zusätzlichen Monolagen Mn. Folglich ist mindestens ab einer Bedeckung mit vier Monolagen mit einer reinen Mn-Oberfläche zu rechnen.

Abb. 6-22 Entwicklung der Auger-Spektren beim Wachstum von Mn/Fe(100) bei Anregung mit Protonen (25keV, phi-grinap1.5°) bzw. 4keV-Elektronen (phi-grin=33°) bei T=440±10K.

Für eine quantitative Analyse des Konzentrationsprofils an der Grenzfläche ist auch hier die genauere Bestimmung der Informationstiefen und die Berücksichtigung der lagenweisen Bedeckungsgrade im Film notwendig. Im Fall der Anregung mit Elektronen wird die Informationstiefe wie bei den Cr-Filmen (siehe Abschnitt 6.2.2 ) aus dem Verhältnis der Auger-Signale aufeinanderfolgender Lagen entsprechend der Abb. 6-23 bei größeren Bedeckungen ermittelt. In guter Übereinstimmung mit den entsprechenden Messungen an Cr-Filmen erhält man hier eine Informationstiefe für die Elektronen-Anregung von lambda=2.4±0.3Å. Unter Verwendung dieser Austrittstiefe für die Auger-Elektronen und der Ionisationswahrscheinlichkeit der M23-Schale [HJK75] in Abhängigkeit vom Stoßparameter der streifend einfallenden Protonen konnte aus der Simulation des Streuprozesses am rauhen Film (Stufenabstandap250Å, siehe


85

Abschnitte 4.1 und 6.3.1 ) die effektive Informationstiefe für die Protonen-Anregung (25keV, phi-grinap1.5°) zu lambda=0.84Å abgeschätzt werden [IPW98].

Abb. 6-23 Verhältnis der Fe-M23VV-Auger-Signale bei nominellen Mn-Bedeckungen mit n und (n-1) Monolagen zur Bestimmung der Informationstiefe lambda. Der Mittelwert (Linie) wurde für nge3 ermittelt.

Aus dem Verlauf der Fe-Auger-Signale kann nun unter Variation der Mn-Konzentration in den einzelnen atomaren Lagen wie bei den Cr-Filmen das Konzentrationsprofil durch Anpassung an die experimentellen Daten ( Abb. 6-24 ) näherungsweise bestimmt werden. Das schrittweise Vorgehen zur Bestimmung der lagenweisen Zusammensetzung des Films wird im folgenden näher beschrieben.

Abb. 6-24 Verlauf der Fe-M23VV-Auger-Signale beim Wachstum von Mn auf Fe(100) bei T=600±20K nach Anregung mit 25keV-Protonen mit phi-grinap1.5° (a) und 4keV-Elektronen (b). Die offenen bzw. geschlossenen Symbole sind Daten verschiedener Messungen und demonstrieren die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse. Zum Vergleich sind die berechneten Abhängigkeiten des Auger-Signals bei den entsprechenden Informationstiefen für das ideale Lagenwachstum (geschlossene Linien) und für das transient lagenweise Wachstum (gestrichelte Linien) entsprechend den Ergebnissen aus Abschnitt 6.3.1 mit und ohne Interdiffusion gezeigt (homogene Mn-Verteilung innerhalb der Lagen).


86

Ohne Berücksichtigung der Grenzflächen-Interdiffusion gelangt man im Bereich geringer Mn-Bedeckungen sowohl für die Protonen-induzierten als auch für die Elektronen-induzierten Auger-Signale - auch bei Berücksichtigung einer nur teilweisen Füllung der einzelnen Monolagen (siehe Abschnitt 6.3.1 ) - zu einem zu kleinen Auger-Signal. Folglich müssen Fe-Atome während des Filmwachstums durch Austauschprozesse in den Mn-Film gelangt sein. Werden die Konzentrationen von Fe und Mn in der obersten Substratlage und im gewachsenen Film kontinuierlich variiert (homogene Verteilung der Spezies innerhalb der Lagen), so erhält man zunächst unter der Voraussetzung eines idealen Lagenwachstums bei bester Anpassung an die experimentellen Daten für die Protonen-induzierten Messungen einen Mn-Anteil von c0=60±10% in der obersten Adsorbatlage, c1=50±10% in der ersten Adsorbatlage, c2=90±10% in der zweiten Lage und nachfolgend reine Mn-Lagen im Film. Unter Berücksichtigung der nur teilweisen Füllung der Lagen beim transienten Lagen-Wachstum gelangt man zu ähnlichen Ergebnissen (c0=60±10%, c1=40±10%, c2,3...=100%). Im Fall der Elektronen-induzierten Messungen nimmt unter der Annahme reinen Lagenwachstums mit c0=60±20%, c1=30±20% und c2,3,...=100% insbesondere der Mn-Anteil in der ersten Adsorbatlage noch weiter ab. Dies relativiert sich jedoch wieder bei Einbeziehung des transienten Lagenwachstums, und bestätigt - wenn auch mit größeren Unsicherheiten - die Ergebnisse der Protonen-induzierten Messung: c0=60±20%, c1=40±20%, c2,3,...=100%.

Wie man in der Abb. 6-24 sieht, sind für die verschiedenen Lösungen kaum Unterschiede im berechneten Signalverlauf auszumachen. Auch eine Variation der Informationstiefe lambda als freien Parameter ruft keine Änderung im berechneten Konzentrationsprofil hervor, da sich lambda aus dem Signalverlauf über mehrere Lagen selbst ergibt.

Im Bereich der ersten Monolage liegen insbesondere im Elektronen-induzierten Fe-Auger-Signal die experimentellen Werte sichtbar über dem berechneten Verlauf (unabhängig vom Wachstumsmodell). Das kann hier im Zusammenhang mit der Informationstiefe von mehr als einer Lage (lambda=2.4±0.3Å) mit einer möglichen Interdiffusion von Mn-Atomen unter die oberste Substratlage in Zusammenhang gebracht werden. In einer verbesserten Beschreibung des Wachstums muß also auch hier der Austausch von Mn und Fe einbezogen werden.

Eine detaillierte Betrachtung der Vorgänge beim Auftreten der Grenzflächen-Interdiffusion im frühen Wachstumsstadium eines heteroepitaktischen Systems mündet in die folgende Interpretation: Da ein Austausch der Atome in Bereichen unter der jeweiligen Oberflächenlage (nur über Zwischengitterplätze oder Fehlstellen) mit einer deutlich geringeren Wahrscheinlichkeit stattfindet als von Oberflächen-Atomen mit frei beweglichen Adatomen, ist davon auszugehen, daß nur oberflächennahe Substratlagen an der Interdiffusion beteiligt sind und darüber hinaus eine homogene Verteilung des Mn in den "Misch-Lagen" aus folgendem Grund nicht gewährleistet ist: Insbesondere beim Auftreten einer sehr starken Interdiffusion, wie man sie hier vorfindet, werden kleine Inseln zu Beginn des Wachstums überwiegend aus Fe-Atomen gebildet, die durch Platzwechsel mit den quasi freien Adsorbat-Atomen vor deren Bindung an Nukleationskeime auf die Oberfläche gelangt sind. Entsprechend werden die Mn-Atome überwiegend in die unbedeckte Substrat-Oberfläche eingebaut. Mit zunehmender Bedeckung und Inselgröße nimmt somit die Konzentration des Mn sowohl zu den Inselrändern hin gegenüber dem Insel-Zentrum


87

als auch in der noch freien Substratoberfläche gegenüber dem von den Inseln abgedeckten Bereich zu. Zur Veranschaulichung ist dieses Verhalten in der Abb. 6-25 auf einer Einheitsfläche schematisch für eine Mn-Bedeckung von ominus=0.5ML für ein Wachstum mit unterschiedlichen Nukleationsabständen (Faktor 10) dargestellt.<15>

Abb. 6-25 Schematische Darstellung der Verteilung des Mn in den Inseln bei ominus=0.5ML für die gleiche Verteilung des Mn auf die oberste Substratlage und die Inseln aber unterschiedlichen Wachstumsmodi mit um eine Größenordnung verschiedenen Nukleationsabständen (dunklere Bereiche entsprechen einer erhöhten Mn-Konzentration)

Die Einführung von lagenweisen Interdiffusionsparametern zusammen mit der Konzentrationsabhängigkeit des Austausches von Fe und Mn in das Wachstumsmodell (Abschnitt 4.2 ) bildet dieses Verhalten ab und ermöglicht eine adäquate Beschreibung der Auger-Signale. Zur Veranschaulichung sind in der Abb. 6-26 die Bedeckungen und Konzentrationen aus dem Ergebnis bester Übereinstimmung zwischen Protonen- bzw. Elektronen-induziertem Auger-Signal mit dem Modell (vgl. Abb. 6-27 ) veranschaulicht. Neben der Gegenüberstellung des Mn und insgesamt offenem bzw. bereits bedecktem Anteil in den Einzel-Lagen macht besonders der entsprechende Konzentrationsverlauf die Inhomogenität der Mn-Verteilung sichtbar. So liegt die Mn-Konzentration in der obersten Substrat-Lage zu jedem Zeitpunkt im unbedeckten Bereich deutlich über der des bedeckten Bereiches. In der ersten Film-Lage findet sich wie erwartet zunächst kaum Mn und mit zunehmender Bedeckung wird der Konzentrationsunterschied zwischen bereits abgedeckten und noch offenen Bereichen größer. Erst in der zweiten Filmlage wird der Konzentrationsgradient infolge ca. 70..80% Mn-Anteil bei deutlich einsetzender Inselbildung auf etwa 90% bei abgeschlossener Bedeckung vernachlässigbar.

Neben den Inhomogenitäten erhält man im abgeschlossenen Film ein etwas verändertes Gesamtprofil der Mn-Konzentration von c-1ap20%, c0ap30%, c1ap60%, c2ap90% und c3,4...=100%. Die Entwicklung der gemessenen Auger-Signale wird mit diesem Modell, das sowohl das nichtideale Lagenwachstum wie auch die konzentrationsabhängige Interdiffusion mit entsprechenden inhomogenen Verteilungen von Substrat und Adsorbat innerhalb der Grenzflächen-Lagen berücksichtigt, zufriedenstellend reproduziert.


88

Abb. 6-26 Entwicklung der lagenweisen Zusammensetzung beim transient lagenweisen Wachstum von Mn/Fe(100) bei T=600±20K unter Einbeziehung konzentrationsabhängiger Interdiffusion (entsprechende Auger-Signale siehe Abb. 6-27 ).

Tabelle 0-1 Zusammenfassung der Ergebnisse zur Konzentration von Mn im Bereich der Grenzfläche Mn/Fe(100) entsprechend der verschiedenen Modelle (siehe Text).

Modell / Auger-Anregung

c-1

c0

c1

c2

c3

ideales Lagenwachstum, Konzentration statisch / H+

0.0

0.6±0.1

0.5±0.1

0.9±0.1

1.0

ideales Lagenwachstum, Konzentration statisch / e-

0.0

0.6±0.2

0.3±0.2

1.0

1.0

transientes Wachstum, Konzentration statisch / H+

0.0

0.6±0.1

0.4±0.1

1.0

1.0

transientes Wachstum, Konzentration statisch / e-

0.0

0.6±0.2

0.4±0.2

1.0

1.0

transientes Wachstum, Konzentration dynamisch während des Wachstums / H+ und e-


0.2±0.1


0.3±0.1


0.6±0.1


0.9±0.1


1.0

Zusammenfassend ist festzustellen, daß man beim Wachstum von Mn bei ca. 600K mit dem Wechsel von etwa 50% des deponierten Mn in das Substrat auch unter die Substrat-Oberfläche eine etwas stärkere Interdiffusion an der Grenzfläche zum Fe(100) vorfindet, als beim Wachstum der Cr-Filme. Dies steht in guter Übereinstimmung mit Dichtefunktional-Rechnungen von Nonas et al. [NWZ98]. Das gleichzeitige Auftreten inhomogener Verteilungen von Mn und Fe innerhalb der Grenzflächen-Lagen kann sich auf das magnetische Kopplungsverhalten auswirken, das stark von der lokalen Umgebung der Einzelatome abhängt (siehe Abschnitt 7.4 ).


89

Abb. 6-27 Verlauf der Fe-M23VV-Auger-Signale beim Wachstum von Mn auf Fe(100) bei T=600±20K nach Anregung mit 25keV-H+ mit phi-grinap1.5°,lambda=0.89Å (a) und 4keV-e-, lambda=2.4Å (b) entsprechend der Ergebnisse aus dem Modell mit dynamischer Konzentrationsänderung.

6.4 V-Filme auf Fe(100)

Vanadium - ein 3d-Paramagnet mit bcc-Gitter - wurde als Film auf Fe(100) in den vergangenen Jahren zunächst als ein weiterer Kandidat für interessante Kopplungsphänomene neben Cr und Mn hinsichtlich der magnetischen Eigenschaften untersucht (siehe Abschnitt 7.5 ). Dabei wurde dem Filmwachstum und somit der Struktur des Films bzw. der Grenzfläche nur unwesentliche Aufmerksamkeit gewidmet. Begleitende experimentelle Untersuchungen beschränkten sich hier auf die Kontrolle des 1x1-LEED-Beugungsbildes [WH94, FTL96, FBH98] oder den exponentiellen Signal-Verlauf der hochenergetischen L3VV-Auger-Linien von V (473eV) und Fe (703eV) zur Bestimmung der Filmdicke [FTL96] und favorisieren ein lagenweises Wachstum. Kürzliche Untersuchungen mit RHEED und winkelabhängiger Auger-Spektroskopie - ebenfalls an den hochenergetischen L3VV-Linien - [BAA98, HAA98] widersprechen sich in ihren Aussagen zum Wachstumsmodus und zeigen keine Anhaltspunkte für die Diffusion von Vanadium in das Fe-Volumen zwischen 300 und 700K. Theoretische Studien hingegen prognostizieren die Interdiffusion von V und Fe an der Fe(100)-Grenzfläche mit nahezu dem gleichen Energiegewinn wie im System Cr/Fe(100) [NWZ98]

Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Wachstum der V-Filme auf Fe(100) wie bei den Fe-, Cr- und Mn-Filmen mit der streifenden Ionenstreuung und der Elektronen-induzierten Auger-Spektroskopie im Bereich der niederenergetischen M23VV-Linien (20..70eV) charakterisiert. Exemplarisch sind in der Abb. 6-28 die Intensitätsoszillationen der Streuung von 25keV He+ (phi-grin=1.75°) beim Wachstum der ersten V-Lagen auf Fe(100) für zwei verschiedene Temperaturen gezeigt. Der beobachtete Verlauf des Streusignals ist den Ergebnissen vom Wachstum der Mn-Filme ähnlich:


90

Bei niedriger Temperatur liegt kaum ausgeprägtes Lagenwachstum vor. Die schnell abfallende Intensität der lagenweisen Maxima zeigt die nur schwache Ausbildung der einzelnen Monolagen unter rascher Zunahme der Oberflächen-Rauhigkeit an. Mit zunehmender Temperatur wird zwar die erste Monolage besser ausgebildet, aber bereits ab der zweiten Lage findet man auch hier kein lagenweises Wachstum mehr vor. Aus dem schnellen Verschwinden der Oszillationen ist das gleichzeitige Wachstum in mehreren Lagen abzulesen. Die einzelnen Prozesse der Nukleation, Aggregation und Koaleszenz eines lagenweisen Wachstums können nicht mehr identifiziert werden.

Abb. 6-28 Spekulare Streuausbeute von 25keV He+ (phi-grin=1.75°) beim Wachstum von V/Fe(100) für T=445±10K und F=3.5x10-3MLs-1 (geschlossene Symbole) und T=620±20K (offene Symbole) bei einer Depositionsrate von 1x10-2 MLs-1.

Das frühzeitige Einsetzen des dreidimensionalen Wachstums kann unter anderem der gegenüber den Mn-Filmen weiter vergrößerten Verspannung des Films durch die Gitterfehlanpassung von ca. 5.6% zugeschrieben werden.

In Analogie zu den Systemen Cr/Fe(100) und Mn/Fe(100) ergibt die quantitative Analyse der Intensitätsminima bei Bedeckungen um 0.5ML durch den Vergleich mit den entsprechenden Computersimulationen (Abschnitt 4.1 ) für die erste V-Lage mittlere Nukleationsabstände von L=25±10Å bei ca. 450K und L=250±30Å bei ca. 620K. Unter Berücksichtigung der hier etwas geringeren Depositionsraten von Fle1×10-2MLs-1 ergeben sich für V/Fe(100) nur unwesentlich kleinere Nukleationsabstände gegenüber Mn/Fe(100). Auch die Abschätzung des Füllungsgrades der ersten atomaren Lage des Vanadium-Films aus Höhe und Position des ersten Intensitätsmaximums bei einer nominellen Gesamtbedeckung mit einer Monolage liefert Werte um 80%.

Folglich ist das Wachstum der ersten Monolage V/Fe(100) aus morphologischer Sicht dem System Mn/Fe(100) sehr ähnlich. Der Übergang zum stationären Wachstum unter Beteiligung mehrerer Lagen erfolgt bei den V-Filmen jedoch bereits ab der zweiten Monolage.

Zur Beurteilung der Interdiffusionseigenschaften von V/Fe(100) wurden die Auger-Signale der niederenergetischen M23VV-Linien von V(31eV) und Fe(47eV) nach


91

Anregung mit 4keV-Elektronen während des Filmwachstums aufgenommen. Für diese Messungen stand gegenüber den Cr- und Mn-Filmen nur ein Elektronenspektrometer mit einem deutlich schlechteren Signal-Untergrund-Verhältnis zur Verfügung.<16> Insbesondere auf die Auswertung von dicht am Ausläufer des Peaks inelastisch gestreuter Sekundärelektronen gelegenen Auger-Linien wirkt sich das negativ aus. Die in den Protonen-induzierten Auger-Messungen erhaltenen Signal-Größen waren deshalb für eine quantitative Auswertung nicht ausreichend. Das geringe Auger-Signal und das vergleichsweise schlechte Lagenwachstum lassen daher eine nur näherungsweise Bestimmung des Konzentrationsprofils zu.

Abb. 6-29 Verlauf des 4keV-Elektronen-induzierten Fe-M23VV-Auger-Signals beim Wachstum von V/Fe(100) bei T=370±10K (geschlossene Symbole) bzw. T=620±20K (offene Symbole). Zum Vergleich sind die berechneten Abhängigkeiten des Auger-Signals für das ideale Lagenwachstum (durchgezogene Linie) und für das transient lagenweise Wachstum ohne (gestrichelte Linie) und mit Interdiffusion (schraffierter Bereich) gezeigt (vgl. Abb. 6-30 ).

Für die Auswertung der Auger-Spektren wurden wie beim System Mn/Fe(100) die elementspezifischen Auger-Signale an der sauberen Fe-Oberfläche bzw. einem mehrlagigen V-Film (ominusge7ML) durch Untergrundabzug ermittelt. Durch den vernachlässigbaren Überlapp der beiden niederenergetischen M23VV-Linien von V und Fe kann der Untergrund im Bereich der Fe-Linie aus dem Spektrum vom dicken V-Film recht genau bestimmt werden. Deutlich ungünstiger ist die Untergrund-Bestimmung im Bereich der V-Linie, da die Lage im Ausläufer des niederenergetischen Sekundär-Elektronen-Peaks dazu führt, daß sich hier die Intensität während des


92

Filmwachstums mit der Rauhigkeit deutlich ändert.<17> Die Bestimmung der partiellen Element-Signale im Gesamtspektrum während des Filmwachstums liefert folglich nur für die M23VV-Fe-Linie reproduzierbare Ergebnisse. Für die quantitative Auswertung des Signalverlaufs wurde ein Interlagenabstand von 1.43Å [HAA98] und aufgrund der Ähnlichkeit mit dem Mn/Fe auch die bereits dort ermittelte Informationstiefe von lambda=2.4±0.3Å sowie das gleiche Wachstumsmodell zur Lagenfüllung (vgl. Abschnitt 6.3.2 ) angewendet.

Der Verlauf der Fe-Auger-Signale für T=370±10K bzw. T=620±20K ist in der Abb. 6-29 gezeigt. Wird die Interdiffusion des Vanadium in das Fe-Substrat ausgeschlossen, liegen die experimentellen Auger-Intensitäten im Bereich der ersten Monolagen wiederum deutlich über dem berechneten Signalverlauf - sowohl für das reine Lagenwachstum als auch für das transiente Lagenwachstum. Dies zeigt, daß auch beim V/Fe(100) eine Grenzflächen-Interdiffusion stattfindet. Die Variation der Interdiffusionswahrscheinlichkeiten im Wachstumsmodell ab der obersten Substratlage und der Vergleich mit den experimentellen Daten liefert eine Abschätzung des Konzentrationsprofils. Da für das Wachstum von V/Fe(100) keine Vergleichsmessungen mit veränderter Informationstiefe zur Verfügung stehen, sind die zu ermittelnden Konzentrationen noch stärker an das entsprechende Modell gekoppelt. Deshalb wurden in der Auswertung leicht variierende Wachstumsmodi wie auch unterschiedliche Diffusionsgradienten angewendet und deren Resultate miteinander verglichen. Der Bereich des so ermittelten theoretischen Signalverlaufs ist durch die schraffierte Fläche in der Abb. 6-29 dargestellt. Da sich das Wachstum bei den unterschiedlichen Temperaturen bezüglich der Lagen-Füllung kaum unterscheidet und das Modell die Verteilung der Inseln nicht explizit berücksichtigt, ändert sich auch die Zusammensetzung der einzelnen Lagen entsprechend dem fast identischen Signalverlauf nicht wesentlich.<18> Man kommt zu dem Ergebnis, daß die Interdiffusion wie beim System Cr/Fe(100) im wesentlichen auf die oberste Substrat-Lage des Fe(100) und die erste Film-Lage begrenzt ist. Das wird durch die aus dem Wachstumsmodell ermittelten Verläufe der Gesamt- und Vanadium-Anteile der einzelnen Lagen im Bereich der Grenzfläche deutlich, die analog zum System Mn/Fe(100) entsprechend dem schraffierten Bereich der Abb. 6-29 in der Abb. 6-30 dargestellt sind. Die wesentlichen Merkmale bestehen also im überwiegenden Wechsel von V und Fe zwischen den Grenzflächenlagen, so daß hier eine V-Endkonzentration von c0ap25% in der obersten Substratlage und c1ap70% in der ersten Film-Lage erreicht wird, sowie einer geringen Diffusion des Vanadium auch in die erste vergrabene Substratlage. Bereits ab der zweiten Monolage wächst der Film mit c2ap90..100% und c3=100% als nahezu reiner Vanadium-Film weiter auf.

Man findet also im Rahmen der Unsicherheiten ähnliche Verhältnisse der Interdiffusionseigenschaften zum System Mn/Fe(100) und Cr/Fe(100, aber mit einem geringeren Interdiffusionsgrad. Dieses Verhalten steht wiederum in guter Übereinstimmung mit den theoretischen Berechnungen von Nonas et al. [NWZ98].


93

Abb. 6-30 Modell des Wachstums von V/Fe(100) bei Tap370..620K als Ergebnis der Streumessungen und Auger-Daten ( Abb. 6-29 ) unter Berücksichtigung der Interdiffusion. Die schraffierten Bereiche zeigen die V-Anteile bzw. in der rechten Spalte die V-Konzentration in offenen / abgedeckten Bereichen der einzelnen Monolagen entsprechend den Unsicherheiten im Modell.

6.5 Austrittsarbeiten

Beim Wachstum von Filmen können chemische und strukturelle Änderungen der Oberfläche die Austrittsarbeit beeinflussen [z.B. PGJ79, NSW95, JIH98]. Das hat entsprechend den Ausführungen im Abschnitt 5.2 Konsequenzen auf die elektronische Wechselwirkung und insbesondere den Elektroneneinfang bei der streifenden Ionen-Streuung an diesen Oberflächen.

Änderungen der Oberflächen-Morphologie beim homoepitaktischen Filmwachstum führen im Bereich eines zumindest transient lagenweisen Wachstums zu geringen Änderungen der Austrittsarbeit in der Größenordnung von 0.05eV [NSW95]. Deutlich größere Änderungen sind dagegen bei heteroepitaktischen Systemen zu Beginn des Wachstums zu erwarten, wenn sich Substrat und Adsorbat in den Austrittsarbeiten der entsprechenden Kristall-Oberflächen unterscheiden, wie das in den hier untersuchten Systemen der Fall ist. Dementsprechend wurden die verschiedenen Film-Systeme hinsichtlich einer möglichen Änderung der Austrittsarbeit analysiert.

In der Regel wurde die Austrittsarbeit von Substrat und nach Aufwachsen einer Monolage des jeweiligen Film-Materials durch Photoemission bestimmt. Das Prinzip


94

der Messung ist durch die Abb. 6-31 wiedergegeben. Der Austrittsspalt eines Spektrometers H10UV (Fa. Jobin-Ivon) mit einer Xe-Lampe XB075 als Lichtquelle wurde mittels einer Linse (f=135nm bei lambda=250nm) durch ein MgF-Fenster in der UHV-Kammer auf die Target-Oberfläche abgebildet. Der bei der Photoemission entstehende Targetstrom wurde als Funktion der Wellenlänge I(lambda) im Bereich von lambda=200..400nm aufgenommen. Um nur den tatsächlich von der Target-Oberfläche ausgehenden Emissionsstrom zu bestimmen, muß bei der Anordnung von Spektrometer und Target darauf geachtet werden, daß das vom Target reflektierte Licht nicht auf innere Metall-Oberflächen der UHV-Kammer trifft, sondern durch ein weiteres Fenster wieder austreten kann. Von dem so gemessenen Targetstrom war anschließend ein konstanter Untergrund (Leckstrom) abzuziehen, der aus der Messung oberhalb der Grenzwellenlänge lambdaG=h/phi-grA bestimmt wurde. Die mit einer kalibrierten Photodiode (Fa. Hamamatsu) bestimmte spektrale Intensitätsverteilung der Lichtquelle, bestehend aus Xe-Lampe, Spektrometer und Abbildungslinse, zusammen mit der ebenfalls vermessenen Transmissionsfunktion des MgF-Fensters lieferte die Korrekturfunktion, mit der der Photoemissionsstrom aus dem effektiven Targetstrom bestimmt wurde. Aus dem so korrigierten Photostrom I(E=h/lambda) kann in der Nähe der Schwelle für die Photoemission die Austrittsarbeit phi-grA ermittelt werden.

Abb. 6-31 Prinzipskizze zur in situ - Messung der Austrittsarbeit mittels Photoemission.

Der Zusammenhang zwischen der eingestellten Wellenlänge lambda und dem in das Vakuum emittierten Elektronenstrom I(lambda, phi-grA, T) läßt sich nach W. Fowler [FOW31] in der Form


95

darstellen. Für metallische Oberflächen und Temperaturen um 300K genügt der Photostrom ins Vakuum nach F. Wooten et al. [WS69] jedoch in guter Näherung dem finiten Temperaturlimit (Trarr0) der Fowler'schen Formel

Abweichungen von diesem einfachen Zusammenhang bei Berücksichtigung der Temperaturabhängigkeit liegen für die hier aufgenommenen Daten bei T~300..400K mit Deltaphi-grA~±0.01eV [DUB31] deutlich unterhalb der Meßunsicherheit<19> und sind für die zu bestimmende Änderung der Austrittsarbeit beim Filmwachstum unerheblich.

Zunächst wurde die saubere Fe(100)-Oberfläche untersucht. Dabei wurde sowohl die nach dem Abtrag mehrerer Monolagen durch Sputtern stark aufgerauhte wie auch die unterschiedlich weit ausgeheilte Oberfläche (vgl. Abschnitt 5.1.2 ) wiederholt analysiert. Es zeigte sich, daß die Meßergebnisse zwar innerhalb eines Präparationszyklus reproduzierbar sind (Deltaphi-grA ap ±0.03eV), jedoch trotz vergleichbarer Oberflächenrauhigkeiten und keiner meßbaren Kontamination in den Auger-Spektren nach erneuter Präparationen um nahezu ±0.1eV voneinander abweichen können. Innerhalb des resultierenden Vertrauensbereiches der Austrittsarbeit konnte kein eindeutiger Unterschied zwischen der gesputterten und ausgeheilten Oberfläche festgestellt werden. Entsprechend wurde die Austrittsarbeit der Fe(100)-Oberfläche zu phi-grA=4.4±0.1eV bestimmt (vgl. Abb. 6-32 ). Größe und Vertrauensbereich der Austrittsarbeit stimmen hier recht gut mit den Angaben aus anderen Arbeiten überein, die von 4.31eV [FOM66] bis 4.4eV [TCE82] reichen und nach Ohnishi et al. theoretisch bei 4.29eV liegt [OFW83].

Abb. 6-32 Photostrom und Ergebnis des Fowler-Fits (siehe Text) zur Bestimmung der Austrittsarbeit an Fe(100) sowie nach Bedeckung mit einer Monolage Cr bzw. V.

Anschließend wurde unmittelbar nach der Vermessung der sauberen Fe(100)-Oberfläche eine Monolage des zu untersuchenden Films präpariert und die Austrittsarbeitsmessung wiederholt. In der Abb. 6-32 sind die Ergebnisse dieser Messungen für die vorpräparierte Fe(100)-Oberfläche sowie die mit einer Monolage Chrom bzw.


96

Vanadium bedeckte Oberfläche gezeigt. Man erkennt eine deutliche Verringerung der Austrittsarbeit für die heteroepitaktischen Systeme. Bei 1ML Cr/Fe(100) nimmt die Austrittsarbeit gegenüber dem sauberen Fe(100) um Deltaphi-grA=0.30±0.05eV ab. Dies bestätigt die Erwartung, wenn man davon ausgeht, daß die Austrittsarbeit für Cr(100) in früheren Arbeiten kleiner als für Fe(100) bestimmt worden ist (4.1eV nach Meier et al. [MPS82], 4.46eV nach Wilson et al. [WM83] und theoretisch 4.05eV nach Fu & Freeman [FF85]).

Auch bei der Bedeckung der Fe(100)-Oberfläche mit einer Monolage Vanadium beobachtet man entsprechend der Abb. 6-32 eine Verringerung der Austrittsarbeit um Deltaphi-grA=0.36±0.05eV.

Ein alternativer Weg zur Ermittlung der Austrittsarbeit bzw. deren Änderung in situ und in Echtzeit unter Ausnutzung der Methode der streifenden Ionen-Streuung besteht in der Bestimmung des geschwindigkeitsabhängigen Verhältnisses von geladenen und neutralen Alkali-Atomen nach der Streuung.

Die Neutralisationsrate streifend gestreuter Ionen an der Festkörper-Oberfläche hängt von der aktuellen Lage des zu besetzenden atomaren Niveaus Ea im Abstand des Elektroneneinfangs ys von der obersten Atomlage gegenüber den besetzten Festkörper-Zuständen ab und ist somit an die Austrittsarbeit gekoppelt. Verschiebt sich mit der Projektilgeschwindigkeit der atomare Zustand (vgl. Abb. 3-15), so ändert sich auch die Neutralisationsrate. Die Energiedifferenz Eg(ys) zwischen dem Fermi-Niveau und der aktuellen Lage des atomaren Zustands (Eg(ys)=phi-grA-Ea(ys)) ist demnach ein Parameter für den Zusammenhang zwischen der Projektilgeschwindigkeit v und dem Neutral-Anteil P0 im gestreuten Ionenstrahl. Sie kann nach [WIN91] in der Form

dargestellt werden. Für den Elektroneneinfang bzw. -verlust bei der streifenden Na+-Streuung beträgt der Spinfaktor g+/g-=2 und es ist ein charakteristischer Geschwindigkeitsparameter in der Größenordnung von vcap0.09..0.1a.u. anzunehmen [ZNW90].

Neben der Möglichkeit, aus dem geschwindigkeitsabhängigen Neutralanteil über Eg direkt die Austrittsarbeit der Festkörper-Oberfläche zu bestimmen [BW96], genügt es zur Abschätzung der Austrittsarbeitsänderung beim Filmwachstum die entsprechende Änderung von Eg bei konstanter Geschwindigkeit zu ermitteln. Diese Methode wurde auf das System Mn/Fe(100) angewendet. Dazu wurde der Neutralanteil im Maximum der Streuverteilung nach der streifenden Streuung von Na+ mit E0=15keV bzw. E0=20keV beim Wachstum des Mn-Films auf der Fe(100)-Oberfläche bestimmt. Die Meßergebnisse in der Abb. 6-33 zeigen, daß der Neutralanteil bis zu einer Bedeckung mit 1ML Mn gegenüber der sauberen Fe(100)-Oberfläche um ca. 50% zunimmt und anschließend entsprechend dem weiteren Wachstum des quasi reinen Mn-Films eine deutlich geringere Variation aufweist. Diese Ergebnisse führen für die Bedeckung von 1ML Mn/Fe(100) unter Berücksichtigung von vcap0.09..0.1a.u. auf eine Verringerung der Austrittsarbeit um Deltaphi-grap0.3±0.06 eV gegenüber Fe(100).


97

Abb. 6-33 Spekulare Streuausbeute und Anteil neutralisierter Projektile im Spekularpeak bei der streifenden Streuung von Na+ an Fe(100) (Eo=15 bzw. 20keV, phi-grinap1.37°) während des Wachstums von Mn/Fe(100) bei T~570K.

Zusammenfassend konnte mit unterschiedlichen Methoden gezeigt werden, daß für die untersuchten Systeme Cr/Fe(100), V/Fe(100) und Mn/Fe(100) eine Abnahme der Austrittsarbeit gegenüber dem unbedeckten Substrat in der Größenordnung von ca. 0.3eV zu verzeichnen ist. Die Abnahme aufgrund des heteroepitaktischen Wachstums fällt damit deutlich größer aus, als eine Variation nur durch veränderte Oberflächenmorphologien im Bereich von etwa 0.05eV [NSW95].


Fußnoten:

<9>

Da für die Ermittlung der kritischen Keimgrößen nur die relative Zunahme der Inseldichte als Funktion der Depositionsrate zu bestimmen ist, sind die Ergebnisse aus unterschiedlichen Größenverteilungen der Inseln durch entsprechende Ordinaten bei F=1x10-2MLs-1 bzw F=2x10-2MLs-1 an die experimentellen Werte angepaßt.

<10>

Man kann sich den Grad der Beeinflussung von "Loch" und "Insel" mit vergleichbar geringer Ausdehnung gegenüber der effektiven Wechselwirkungslänge zwischen Projektil und Oberfläche anschaulich klarmachen, indem man den effektiven Wirkungsquerschnitt der Folge Abwärtsstufe-Aufwärtsstufe mit dem umgekehrten Fall vergleicht. Im Falle des "Loches" wird die Aufwärtsstufe nur für ausgewählte Trajektorien wirksam und der Einfluß nimmt mit verringerter Ausdehnung des "Loches" ab.

<11>

Das berechnete Konzentrationsprofil bleibt auch bei einer Änderung der Signaltiefe um den verdoppelten Vertrauensbereich unverändert.

<12>

Die Formänderung der Protonen-induzierten Spektren liegt ab einer Cr-Bedeckung von ca. 4ML im Bereich des experimentellen Fehlers und kann wegen der Unsicherheit in der Anpassung des Untergrundes von inelastischen Sekundärelektronen nicht mehr eindeutig bestimmt werden.

<13>

Bei Tap300K wurde dieser abrupte Übergang auf ein deutlich niedrigeres Niveau der spekularen Streuausbeute in unregelmäßigen Abständen beobachtet. Dementsprechend befindet sich der wachsende Mn-Film bei dieser Temperatur in einem metastabilen Zustand, und die Relaxation der aufgebauten Gitterverspannung findet nicht in jedem Fall statt. Erst bei Temperaturen oberhalb etwa 420K war dieser Übergang stets zu beobachten.

<14>

Ohne den Ausheilprozeß würde die spekulare Streuintensität mit zunehmender Temperatur wegen der Verbreiterung der Streuverteilung abnehmen (vgl. Abschnitt 5.1.3 ).

<15>

Der Einfluß eines solchen Wachstums- / Interdiffusionsverhalten im Zusammenhang mit der Größe der Adsorbat-Inseln ist insbesondere für die Interpretation der magnetischen Eigenschaften des Systems (Abschnitt 7.4 ) von Bedeutung

<16>

Für die Messungen am System V/Fe kam der Zylinder-Segment-Energieanalysator mit einem Add-on-Channeltron der Fa. OMICRON zum Einsatz, das im vorliegenden Aufbau primär für die spinpolarisierte Elektronenspektroskopie konzipiert und für die Auger-Spektroskopie nur beschränkt nutzbar ist.

<17>

Im Bereich der Fe-Linie wurde bei der Ermittlung des Auger-Signals die Intensität des Untergrundes mit varriert. Die erhaltene Änderung der Untergrund-Intensität betrug dabei weniger als 5%.

<18>

Aufgrund der verschiedenen Nukleationsabstände führt ein vergleichbares Interdiffusionsprofil dennoch zu deutlich unterschiedlichen Verteilungen der einzelnen Atomsorten innerhalb der Lagen (siehe Abschnitt 7.4 ).

<19>

Bei der Auswertung der experimentellen Daten unter Anwendung der Fowler'schen Formel ergaben sich allein durch die Variation des unteren Einsatzpunktes für den Fit I(E=h/lambda) um DeltaE~±0.1eV Unsicherheiten in der Austrittsarbeit von bis zu Deltaphi-grA ap ±0.02eV.


© Die inhaltliche Zusammenstellung und Aufmachung dieser Publikation sowie die elektronische Verarbeitung sind urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung. Das gilt insbesondere für die Vervielfältigung, die Bearbeitung und Einspeicherung und Verarbeitung in elektronische Systeme.

DiML DTD Version 2.0
Zertifizierter Dokumentenserver
der Humboldt-Universität zu Berlin
HTML - Version erstellt am:
Wed Feb 27 12:47:01 2002