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

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Kapitel 8. Zusammenfassung

Die Fe(100)-Oberfläche und darauf gewachsene epitaktische 3d-Metall-Filme wurden mittels streifender Ionenstreuung bezüglich Struktureigenschaften, Morphologie, Wachstumsverhalten, Grenzflächen-Interdiffusion und magnetischer Kopplungseigenschaften studiert. Mit diesen Untersuchungen wurde das Potential der streifenden Ionenstreuung zur Charakterisierung von Metall-Oberflächen hinsichtlich o.g. Eigenschaften dargestellt.

Fokussierungseffekte bei der Streuung entlang niedrigindizierter Richtungen (achsiales Channeling) erlauben die Verifizierung der lateralen Struktur der Oberfläche. Eine multimodale Struktur der zweidimensionalen Streuverteilung beim achsialen Channeling kann durch den Verlauf der Projektil-Trajektorien erklärt werden. Ein Vergleich der experimentellen Streuverteilungen mit Monte-Carlo-Computersimulationen erlaubt Rückschlüsse auf den Verlauf des Wechselwirkungspotentials zwischen Projektil und Targetatomen vor der Oberfläche [DPI01].

Aus der Untersuchung der polaren Streuverteilung bei der Streuung entlang hochindizierter Richtungen (planares Channeling) wurden im Zusammenhang mit Computersimulationen mittlere Terrassenbreiten der Oberflächen und die thermischen Schwingungen der Oberflächen-Atome in Richtung der Oberflächen-Normalen quantitativ bestimmt. Abhängig von Ausheiltemperatur und -dauer beträgt die mittlere Terrassenbreite der präparierten Fe(100)-Oberfläche zwischen 300 und über 1000Å. Aus der Breite der polaren Streuverteilung wurde die Zunahme der thermischen Schwingungen der Fe(100)-Oberflächenatome entsprechend dem Debye-Modell [GLA55] zwischen 300 und 700K mit der Oberflächen-Debye-Temperatur verifiziert. Oberhalb 700K nehmen die mittleren thermischen Auslenkungen aus der Oberfläche stärker zu und steigen von ~0.2Å bei 700K linear auf ~0.3Å bei 900K an.

Die Abhängigkeit der Winkelverteilung streifend gestreuter Ionen - insbesondere der spekularen Streuintensität - von der Oberflächenmorphologie wurde zur Charakterisierung des Filmwachstums von Fe/Fe(100), Cr/Fe(100), Mn/Fe(100) und V/Fe(100) ausgenutzt. Alle untersuchten Systeme zeigten ein pseudomorphes Wachstum. Das homoepitaktische Wachstum von Fe/Fe(100) dient dabei als Modellsystem, bei dem ausschließlich morphologische Größen den Streuprozeß beeinflussen und somit der Einfluß der wesentlichen Wachstumsparameter Temperatur und Aufdampfrate F studiert werden konnte. Bei einer mittleren Rate von F~1×10-2MLs-1 wurde bei T~300K stationäres Lagenwachstum unter Beteiligung mehrerer offener Monolagen beobachtet. Mit zunehmender Temperatur nimmt auch die Qualität des lagenweisen Wachstums zu und geht bei mittleren Terrassenbreiten von ~2000Å ab etwa 700K in ein Wachstum von Stufenkanten ("Step-Flow") über. Die systematische Untersuchung der Sättigungsinseldichten für verschiedene Temperaturen und Depositionsraten erlaubte die Bestimmung der kritischen Keimgrößen als Funktion der Temperatur sowie der Aktivierungsenergie für Monomer-Diffusion von Fe auf


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Fe(100) von Ed=(0.44±0.05)eV. So sind Dimere bis etwa 520K und Trimere bis etwa 620K stabil. Bei noch höheren Temperaturen nimmt die kritische Keimgröße stark zu. Die hier erhaltenen Ergebnisse stehen in sehr guter Übereinstimmung mit den Resultaten aus STM-Untersuchungen von Stroscio et al. [SPD93].

Das Wachstum von Cr-Filmen auf Fe(100) mit einer Aktivierungsenergie von Ed=0.9eV für die Monomer-Diffusion zeigt gegenüber dem Fe/Fe(100) ein schlechteres transient lagenweises Wachstum. Die günstigste Wachstumstemperatur für laterales Wachstum liegt bei etwa 600..630K. Bei typischen Depositionsraten von F~1..2×10-3MLs-1 kann hier für die erste Filmlage ein Füllungsgrad von etwa 95% gegenüber <90% bei T~360K erreicht werden. Beim Wachstum von Mn/Fe(100) und V/Fe(100) nimmt die Qualität des Lagenwachstums aufgrund der erhöhten Gitterfehlanpassung (Mn/Fe(100): 3.2%; V/Fe(100): 5.6%) weiter ab. Bei diesen Systemen liegt ein Stranski-Krastanov-Wachstumsmodus vor und der Füllungsgrad der ersten Monolage beträgt bei F~2×10-3MLs-1 nur noch ca. 80% bei T~600K und ca. 73% bei T~300K. Der Übergang von lagenweisem Wachstum zu Inselwachstum erfolgt beim Mn/Fe(100) in der Regel bei einer Bedeckung von 3..4ML und im System V/Fe(100) bereits ab der zweiten Monolage. Unterhalb etwa 420K können die Mn-Filme in einer metastabilen Phase stationär lagenweise aufwachsen, der verspannte Film relaxiert aber beim Tempern über diese Temperatur und bricht auf.

In den untersuchten heteroepitaktischen Systemen wurde mittels Auger-Spektroskopie nach Anregung durch 4keV-Elektronen beziehungsweise streifend gestreute 25keV-Protonen eine deutliche Grenzflächen-Interdiffusion nachgewiesen. Unter Einbeziehung der Ergebnisse aus den morphologischen Untersuchungen in ein entsprechendes Wachstumsmodell, das im Rahmen dieser Arbeit zur Modellierung der Interdiffusion erarbeitet wurde, konnte die Grenzflächen-Interdiffusion quantitativ abgeleitet werden. Man findet nach dem Wachstum der ersten Monolage Cr/Fe(100) bei ca. 600K einen Wechsel von ca. 55% Cr in das Fe-Substrat. Bei dickeren Filmen nimmt der Cr-Anteil in den Film-Lagen stetig zu und etwa ab der vierten Monolage wächst ein reiner Cr-Film. Ab etwa 850K wurde eine deutliche Eindiffusion von Cr in das Fe-Volumen beobachtet. Mn/Fe(100) und V/Fe(100) zeigen eine etwas geringere Grenzflächen-Interdiffusion. Hier werden bei T~600K ca. 40% des Adsorbats im Fe-Substrat eingelagert. Bereits ab der dritten Monolage wächst in diesen Systemen ein reiner Adsorbat-Film. Beim Mn/Fe(100) wurde bereits oberhalb etwa 650K eine deutliche Eindiffusion des Mn in das Fe-Volumen nachgewiesen.

Es konnte gezeigt werden, daß das Wachstum der heteroepitaktischen Cr-, Mn- und V-Filme von einer Erniedrigung der Austrittsarbeit von ca. 0.3eV gegenüber dem unbedeckten Fe(100)-Substrat begleitet ist.

Zur Untersuchung der magnetischen Kopplungseigenschaften der Filme wurde die streifende Ionenstreuung in Verbindung mit dem Einfang polarisierter Elektronen von der Target-Oberfläche in angeregte atomare Zustände eingesetzt und die Spin- und Bahn-Polarisation der Elektronen in diesem Zustand über das zirkular polarisierte Fluoreszenzlicht nachgewiesen. Aus Untersuchungen zur Temperaturabhängigkeit der Spin-Polarisation wurde die Sensitivität der Methode auf die oberste Atomlage


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bestätigt. Der unterschiedliche Verlauf der Geschwindigkeitsabhängigkeit der Spin-Polarisation beim Einfang von Elektronen in den HeI33P-Zustand von einer Fe(100) bzw. einer Fe(110)-Oberfläche [LEU94] konnte mit Hilfe der elektronischen Zustandsdichte an der obersten Atomlage prinzipiell beschrieben werden. Eine Folgerung dieser Beschreibung ist die Einbeziehung der gesamten besetzten Zustandsdichte der Fe(100)-Oberfläche in diesen Elektroneneinfang-Prozeß ab einer Projektilgeschwindigkeit von v||~0.5v0, woraus die Beschreibbarkeit der magnetischen Oberflächen-Momente mittels der Spin-Polarisation gefolgert werden kann. Ein wichtiges Ergebnis für die Durchführung der Einfang-Experimente war der Nachweis der Unabhängigkeit der Spin-Polarisation vom Streuwinkel.

Die Anwendung der Methode auf die epitaktischen 3d-Metall-Filme auf Fe(100) lieferten für diese unterschiedliche magnetische Kopplungen. Zunächst konnte anhand des Systems Fe/Cr/Fe(100) mit unterschiedlichen Dicken der Cr-Zwischenschicht gezeigt werden, daß die Methode eine eindeutige Unterscheidung zwischen einer ferromagnetischen und einer antiferromagnetischen Kopplung zwischen Deckschicht und Substrat erlaubt.

Unter Berücksichtigung von Morphologie und chemischer Zusammensetzung der Filme wurden die Ergebnisse der Polarisationsmessungen an den Filmsystemen mit unterschiedlichen Kopplungseigenschaften interpretiert. Am System Fe/Fe(100) wird keine Änderung der magnetischen Momente beobachtet. Der an Cr/Fe(100) beobachtete Verlauf der Spin-Polarisation stimmt mit anderen oberflächensensitiven Methoden [WPH92, POW01] überein und kann mit einer antiferromagnetischen Kopplung des Cr zum Fe(100) an der Grenzfläche zum sauberen Substrat bei einem atomaren Moment des Cr von ca. -1.5µB interpretiert werden. In wiederholten Messungen wurde insbesondere eine Instabilität der ermittelten Polarisation im Sub-Monolagen-Bereich bestätigt [WPH92], die vermutlich mit einer sensiblen Wechselwirkung zwischen Wachstum und magnetischer Kopplungsstärke in Zusammenhang zu bringen ist. Oberhalb der Cr-Grenzflächenlage (das ist hier die oberste Substratlage mit eindiffundiertem Cr) wird bis ominus~20ML ein positives Cr-Oberflächen-Moment beobachtet.

Bei Mn/Fe(100) wurde bis zur Ausbildung der ersten Monolage generell eine Abnahme der Spin-Polarisation auf einen mit Null verträglichen Wert gefunden, der auch für die folgenden Lagen erhalten bleibt. Dieses Verhalten steht im Einklang mit einer antiferromagnetischen Kopplung einzeln in die Oberfläche eingebetteter Mn-Atome an das Fe-Substrat mit einem atomaren Moment des Mn von ca. -(4..4.5)µB. Dagegen führt die Ausbildung größerer "Mn-Cluster" zu einer Wechselwirkung zwischen den Mn-Atomen und ist entsprechend dem Signalverlauf mit einer in-plane antiferromagnetischen Kopplung des Mn zu interpretieren.

Schließlich wird am V/Fe(100) nur eine geringfügige Abnahme der Spin-Polarisation beobachtet, die auf ein verschwindendes magnetisches Moment des Vanadium an der Grenzfläche zum Fe(100) führt. Für die folgenden Lagen wird ein magnetisches Moment des Vanadium von ca. 0.4..0.6µB mit einer ferromagnetischen Kopplung der Oberflächenlage an das Fe(100)-Substrat ermittelt.


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Wed Feb 27 12:47:01 2002