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

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Dissertation
Untersuchung der strukturellen und magnetischen Eigenschaften ultradünner 3d-Metall-Filme auf Fe(100) mit Ionenstrahlen

zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) im Fach Physik

eingereicht an der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät I der Humboldt-Universität zu Berlin von


Dipl.-Phys. Thomas Igel,
geboren am 27.01.1969 in Dahme

Präsident der Humboldt-Universität zu Berlin Prof. Dr. Jürgen Mlynek

Dekan der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät I Prof. Dr. Bernhard Ronacher

Gutachter:
1. Prof. Dr. Helmut Winter
2. Prof. Dr. Ricardo Manzke
3. Prof. Dr. Klaus Baberschke

eingereicht am: 02.07.2001

Tag der Promotion: 10.12.2001


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Überblick

Ultradünne Filme der 3d-Metalle auf einem magnetischen Substrat können durch die magnetische Kopplung ebenfalls eine Magnetisierung erfahren. Im allgemeinen ist die Art und Stärke der induzierten magnetischen Momente von der Dicke und der Struktur dieser Filme abhängig.

In dieser Arbeit wurden speziell die Wachstumseigenschaften von Fe, Cr, Mn und V auf einem Fe(100)-Substrat bezüglich ihrer Morphologie und der Grenzflächeninterdiffusion sowie die magnetische Kopplung der Filme zum Substrat untersucht.

Bei diesen Studien kam primär die streifende Oberflächenstreuung schneller Ionen (H+, He+, Ar+) mit Primärenergien von bis zu 25keV unter typischen Einfallswinkeln von 1..2° zur Oberfläche zum Einsatz. Bei einer solchen Streuung können die Projektile nicht in die Oberfläche eindringen, sondern werden von dieser reflektiert. Insbesondere die Aufnahme der spekularen Streuintensität und die Halbwertsbreite der resultierenden Streuverteilung erlaubten die Beobachtung des Wachstumsprozesses in Echtzeit sowie die quantitative Bestimmung von Stufendichten, kritischen Keimgrößen, den Füllungsgrad atomarer Filmlagen, Aktivierungsenergien der lateralen Diffusion, die Änderung der Austrittsarbeit, sowie die Größe der thermischen Auslenkungen der Oberflächenatome.

Die Anregung von Auger-Elektronen an der Oberfläche bei der streifenden Streuung von Protonen erlaubte in Verbindung mit der konventionellen Auger-Spektroskopie nach Anregung durch steil einfallende Elektronen die Bestimmung der Konzentrationsprofile an der Grenzfläche des Films zum Substrat bei unterschiedlich starker Grenzflächeninterdiffusion.

Die Charakterisierung der magnetischen Oberflächenmomente des Fe(100) und der darauf gewachsenen 3d-Metallfilme erfolgte indirekt aus der Polarisation des Fluoreszenzlichts aus dem Zerfall des HeI33P-Zustandes nach der Streuung, der durch den Einfang der polarisierten Elektronen von der Oberfläche entsprechend der dort vorhandenen Zustandsdichte besetzt wird.

Grundlegende Zusammenhänge zwischen der Spin-Polarisation des HeI33P-Zustandes und der Magnetisierung der streuenden Oberfläche wurden am Fe(100) studiert. Mittels einfacher Modelle konnte in diesen Studien die extreme Oberflächenempfindlichkeit der angewendeten Meßmethode wie auch die qualitative Abhängigkeit der Spin-Polarisation von der elektronischen Zustandsdichte der Festkörper-Oberfläche nachgewiesen werden.

Für die Interpretation der Polarisationsdaten beim heteroepitaktischen Filmwachstum war es notwendig, das Wachstum möglichst realitätsnah in einem Modell abzubilden. Dazu wurde ein bereits bestehendes Modell zur Beschreibung des homoepitaktischen Filmwachstums auf niedrigindizierten Oberflächen weiterentwickelt, so daß auch die zeitliche Entwicklung der Interdiffusion bei heteroepitaktischem Wachstum beschrieben werden kann. Die Eichung des Modells erfolgte mit den Ergebnissen aus der Untersuchung des Wachstums mit der streifenden Ionenstreuung und der Auger-Spektroskopie.

Damit wurde es erstmals möglich, die Magnetisierung der heteroepitaktisch gewachsenen 3d-Metallfilme bei nicht idealem Filmwachstum und deutlicher Grenzflächeninterdiffusion anhand experimenteller Ergebnisse von ein und derselben Probe zu beschreiben sowie den Zusammenhang zwischen Struktur, Interdiffusion und Magnetisierung nachzuweisen.

Schlagwörter:
Streifende Ionenstreuung, Filmwachstum, Magnetismus, Fe(100), Cr/Fe(100), Mn/Fe(100), V/Fe(100)


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Abstract

Ultrathin films of 3d-metals on a magnetic substrate can experience a magnetization due to magnetic coupling. Commonly the induced magnetic moments depend on the thickness and the structure of these films.

This work is focussed on the growth properties of Fe, Cr, Mn, and V on the Fe(100) surface with respect to the morphology and the interdiffusion at the interface as well as the magnetic coupling of the film to the substrate. In the experiments mainly the grazing surface scattering of fast ions (H+, He+, Ar+) was applied with primary energies up to 25keV and typical incidence angles of 1..2° to the surface. Using this grazing scattering geometry the projectiles cannot penetrate into but are reflected from the surface. Especially the monitoring of the specular intensity and halfwidth of the resulting scattering distribution enabled the observation of growth processes in real time as well as the quantitative determination of step density, critical growth nuclei, filling of atomic layers, activation energy of lateral diffusion on the surface, change of workfunction, and the size of thermal vibrational amplitudes of the surface atoms.

The excitation of Auger electrons at the surface on one hand side by grazing scattering of protons and on the other hand side by electrons at large incidence angles was used to determine the concentration profile at the interface between film and substrate at different degrees of interdiffusion.

The magnetic moments of the Fe(100) surface and the 3d-metal films grown on it was indirectly characterized by the polarization of fluorescence light from the deexcitation of HeI33P-state after the scattering. This atomic state was filled by spin polarized electrons from the surface corresponding to the surface state densities.

Basic relations between the spin polarization of the HeI33P-state and the magnetization of the scattering surface was tested at the Fe(100) surface. Applying simple models an extreme surface sensitivity of the method used here as well as the qualitative dependence of the spin polarization from electron density of states of the surface layer was observed.

For the interpretation of the polarization data recorded during heteroepitactical film growth it was necessary to model the growth realistically. Therefore an existing model for homoepitactical film growth on low index surfaces was further developed in order to describe the history of interdiffusion during heteroepitactical film growth. The parameters in the model were adjusted by means of the results from the growth studies with grazing surface scattering and Auger spectroscopy.

So for the first time the description of the magnetization of heteroepitactically grown 3d-metal films with nonideal layer growth and interdiffusion both related to experimental results at the same specimen was made possible. Furthermore the interaction between film structure, interdiffusion and magnetization was shown.

Keywords:
surface scattering of ions, film growth, magnetism, Fe(100), Cr/Fe(100), Mn/Fe(100), V/Fe(100)


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Inhaltsverzeichnis

TitelseiteUntersuchung der strukturellen und magnetischen Eigenschaften ultradünner 3d-Metall-Filme auf Fe(100) mit Ionenstrahlen
1 Einleitung
2 Experimentelle Methoden
2.1Streifende Ionenstreuung
2.1.1Streugeometrie und Streuverteilung
2.1.2Einfluss der Oberfläche
2.1.2.1Morphologie
2.1.2.2Elektronische Struktur
2.2Einfang polarisierter Elektronen
2.2.1Nachweis der Polarisation atomarer Terme
2.3Auger-Spektroskopie
3 Experiment
3.1Kleinbeschleuniger
3.2Streukammer
3.3Targethalterung
3.3.1Probenmagnetisierung
3.3.2Streufelder
3.3.3Bestimmung der Target-Temperatur
3.4Fluoreszenzlicht-Analyse
3.4.1Polarisationsautomat
3.4.2Zweikanaldetektor
3.5Targetpräparation
4 Simulationen
4.1Simulation des Streuprozesses
4.2Wachstum und Interdiffusion
5 Untersuchungen an Fe(100)
5.1Ionenstreuung an Fe(100)
5.1.1Fokussierungseffekte am <001>-Kanal
5.1.2Terrassen
5.1.3Thermische Schwingungen
5.2Einfang polarisierter Elektronen von der Fe(100)-Oberfläche
6 Wachstum von Übergangsmetall-Filmen auf Fe(100)
6.1Fe(100)-Homoepitaxie
6.2Cr-Filme auf Fe(100)
6.2.1Morphologische Struktur der Cr-Filme
6.2.2Chemische Struktur dünner Cr-Filme auf Fe(100)
6.3Mn-Filme auf Fe(100)
6.3.1Morphologische Struktur der Mn-Filme
6.3.2Chemische Struktur dünner Mn-Filme auf Fe(100)
6.4V-Filme auf Fe(100)
6.5Austrittsarbeiten
7 Magnetische Eigenschaften der Filme
7.1Fe/Fe(100)
7.2Das Modellsystem Fe/Cr/Fe(100)
7.3Cr/Fe(100)
7.3.1Berechnung der magnetischen Momente
7.3.2Ergebnisse anderer Messmethoden
7.4Mn/Fe(100)
7.5V/Fe(100)
8 Zusammenfassung
Bibliographie Literaturverzeichnis
Danksagung
Selbständigkeitserklärung
Lebenslauf

Tabellenverzeichnis

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

Abbildungsverzeichnis

Abb. 2-1 Prinzip der streifenden Streuung
Abb. 2-2 Streuverteilung mit Bezeichnung der charakteristischen Parameter
Abb. 2-3 Entwicklung der polaren Streuverteilung (25keV He+, phi-grin=1.75°) beim Wachstum von ca. 0.8ML Cr/Fe(100)
Abb. 2-4 Auger-Spektren von der präparierten Fe(100)-Oberfläche nach Anregung mit 4keV-Elektronen bzw. 25keV-Protonen. Markiert sind die niederenergetischen L3VV-Linien bzw. die höherenergetischen M23VV-Linien des Fe.(mit Valenzband) + (Fig.1 aus PIW97c)
Abb. 3-1 Streukammer mit Oberflächen-Analytik: 1-Turbomolekularpumpen; 2-Blenden mit Schiebedurchführung; 3-Elektronenstrahlverdampfer; 4-Elektronenspektrometer; 5-Targethalterung mit Manipulator; 6-Channeltronmanipulator; 7-Auffangblech zur Ionenstrahl-Strom-Messung; 8-Vakuumschieber; 9-Kühlfalle mit Titan-Sublimationspumpe
Abb. 3-2 Skizze Magnetjoch mit Targetaufnahme und Heizung im magnetischen Kreis
Abb. 3-3 Skizze der Targetaufnahme (links: alter Aufbau aus Vacoflux 50 mit eingefräster Vertiefung für das Target; rechts: neuer Aufbau aus Tantalunterlage und aufgesetzten Polbacken aus Vacoflux 50 zur Bündelung des magnetischen Flusses)
Abb. 3-4 Streufelder über Target und Targethalterung in Remanenz (a,b) bzw. bei permanentem Spulenstrom von 1A (c,d) in Richtung der Oberflächen-Normalen und parallel zur Oberfläche (siehe Text). Man beachte die unterschiedlichen Maßstäbe für die magnetische Feldstärke in Remanenz bzw. bei permanentem Magnetisierungsstrom!
Abb. 3-5 Meßkurven zur Eichung des Thermoelements (mit Thermometer THT 650) zur Bestimmung der Oberflächen-Temperatur des Fe(100)-Kristalls: Ermittlung des Curie-Punktes mittels magneto-optischem Kerr-Effekt sowie im inneren Diagramm die Beziehung zwischen Temperatur am Thermoelement und optisch mittels IR-Thermometer bestimmter Oberflächentemperatur (siehe Text)
Abb. 3-6 Prinzipskizze des Polarisationsautomaten bestehend aus Eingangslinse, Verzögerungsplatte (lambda/4), Linearpolarisator (LP), Schmalbandfilter (F) und Photomultiplier (PMT). Die drehbare lambda/4-Verzögerungsplatte wird durch einen Schrittmotor positioniert.
Abb. 3-7 Prinzipskizze des Zweikanaldetektors mit Strahlengang durch Eingangslinse, Verzögerunsplatte (lambda/4), Schmalbandfilter (F) und Strahlteilerwürfel in die Photomultiplier (PMT1 und PMT2).
Abb. 4-1 Lagenweise Bedeckungen ominusn beim Wachstum mit unterschiedlichen Transportparamern k nach dem "birth-death"-Modell (siehe Text). Die Nummern an den Einzel-Kurven kennzeichnen die entsprechende Filmlage beginnend mit Eins für die erste Adsorbat-Lage.
Abb. 4-2 Unbedeckter Anteil je Lage beim Wachstum mit unterschiedlichen Transportparametern k nach dem "birth-death"-Modell entsprechend der Abb. 4-1 . Die Lage "0" kennzeichnet die Substrat-Oberfläche.
Abb. 4-3 Beispiel-Ergebnisse einer Simulation zum Wachstum nach dem Birth-death-Modell (k=10) unter Einbeziehung der Interdiffusion von Adsorbat und Substrat (siehe Text)
Abb. 5-1 (a)Targetstrom bei Streuung von 25keV He+ (phi-grin~1.7°) bzw. Ar+ (phi-grin~2.5°) unter Drehung des Fe(100)-Kristalls um seine Oberflächen-Normale und (b) Streuausbeute bei Streuung von 25keV He+ (phi-grin~1.7°) bei phi-gr~3.6° unter Drehung des(M13-0604.98) Fe(100)-Kristalls um seine Oberflächen-Normale.
Abb. 5-2 (a-links): Streuverteilungen von 10keV He0 bei Streuung in <001>-Richtung an Fe(001) für verschiedene Einfallswinkel phi-grin; (b-rechts): Simulation der Intensitätsverteilung mit molekulardyn. Rechnungen unter Verwendung des "Individual"-Potentials (siehe Text, T=0) [DPI00]
Abb. 5-3 Vergleich der Potentiale entlang der Atomreihe im <100>-Kanal der Fe(001)-Oberfläche unter Verwendung von "Individual"-Potential [GH79] und "Universal"-Potential [ZBL85] für die interatomare Wechselwirkung He-Fe [DAN99]
Abb. 5-4 Streuverteilungen von 15keV He0 bei Streuung unter verschiedene Einfallswinkeln ominusin zur <001>-Richtung der Fe(100)-Oberfläche, phi-grin=1.16°
Abb. 5-5 Vergleich von experimenteller Streuverteilung und berechneter Struktur der Streuverteilung [DAN99] mit "Individual"-Potential und "Universal"-Potential: a) He0, 15keV, phi-grin=1.18°, ominus=0° (parallel <001>); b) He0, 15keV, phi-grin=1.16°, ominus=0.6°
Abb. 5-6 Berechnete Trajektorien beim Passieren einer Abwärtsstufe [PFA98]
Abb. 5-7 Regenbogenstreuung von 25keV He+ an der Fe(100)-Oberfläche für verschiedene Einfallswinkel phi-grin
Abb. 5-8 links: Vergleich von berechneten und gemessenen Streuverteilungen für verschiedene mittlere Terrassenbreiten (25keV He+, phi-grin=1.7°, T=600K). rechts: Zusammenhang zwischen der relativen Höhe des unterspekularen Ausläufers im Vergleich zur Spekular-Intensität mit der mittleren Terrassenbreite (Berechnung der Streuverteilungen von R. Pfandzelter).
Abb. 5-9 Experimentelle Streuverteilungen von 25keV He+, phi-grin=1.85° an einer gestuften Fe(100)-Oberfläche bei verschiedenen Temperaturen (Symbole) im Vergleich mit berechneten Streuverteilungen (Linien) mit TS\|[bottom]\|=227K (Rechnungen von R. Pfandzelter).
Abb. 5-10 (a) Halbwertsbreiten der gemessenen (geschlossene Symbole) und simulierten Streuverteilungen (Streuung wie in Abb. 5-9 , offene Kreise: TS\|[bottom]\|=227K , offene Quadrate: TS\|[bottom]\| zur Beschreibung der Anharmonizität angepaßt) und (b) die daraus bestimmten mittleren quadratischen Auslenkungen senkrecht zur Oberfläche [PIW97a].
Abb. 5-11 Bahn-Polarisation des HeI33P-Zustandes als Funktion der Parallelgeschwindigkeit von He+ an Fe(100) und Fe(110) [LEU94] unter streifendem Einfall
Abb. 5-12 Modell zum resonanten Elektroneneinfang von einem Jellium-Metall bei endlicher Parallel-Geschwindigkeit
Abb. 5-13 Spin-Polarisation des HeI33P-Zustandes als Funktion der Parallelgeschwindigkeit von He+ an Fe(100) und Fe(110) [LEU94] unter streifendem Einfall
Abb. 5-14 Modell zur Entwicklung des HeI33P-Zustandes (energetische Verschiebung und Aufspaltung) mit endlicher Parallelgeschwindigkeit im Abstand yS des Elektroneneinfangs vor einer Fe(110)- bzw. Fe(100)-Oberfläche (Spin: \|[boxh ]\| up, -- down)
Abb. 5-15 Vergleich von experimentellen Ergebnissen mit der Modellrechnung (siehe Text) für die Geschwindigkeits-Abhängigkeit der Spin-Polarisation des HeI33P-Zustandes bei der streifenden Streuung von He+ an Fe(110) [LEU94] bzw. Fe(100)
Abb. 5-16 Azimutale Abhängigkeit der Spin-Polarisation bei verschiedenen Parallelgeschwindigkeiten
Abb. 5-17 Spin-Polarisation und Bahn-Polarisation des HeI33P-Zustandes als Funktion des Einfallswinkels bei der Streuung an Fe(100) (E0=25keV)
Abb. 5-18 Temperaturabhängigkeit von Kerr-Signal und Spin-Polarisation mit Modellrechnung für verschiedene Austrittstiefen lambda (von unten nach oben lambda=0, 1, 2, 3, 5, 10 bzw. infin Monolagen; Rechnungen von R. Pfandzelter)
Abb. 5-19 Spin-Polarisation am System Mn/Fe(100) während des Wachstums einer Monolage mit phi-grin=1.7° und anschließender Erhöhung des Einfallswinkels.
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)
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)
Abb. 6-3 Verlauf der Spekularintensität (25keV He+ phi-grin=1.7°) beim homoepitaktischen Wachstum von Fe/Fe(100) für verschiedene Substrattemperaturen.
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)
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].
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 .
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
Abb. 6-8 Spekulare Streuausbeute (25keV He+ phi-grin=1.7°) beim Wachstum von Cr/Fe(100)
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.
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)
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).
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).
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.
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.
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.
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].
Abb. 6-17 Normierte spekulare Streuausbeute von 25keV H+ (phi-grin=1.75°) beim fortgesetzten Wachstum von Mn auf Fe(100)
Abb. 6-18 Elektronen-induziertes Fe-Auger-Signal (L3VV, normiert) beim Wachstum von Mn/Fe(100) bei 300 bzw. 620K.
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).
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.
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).
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.
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.
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).
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)
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 ).
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.
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.
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 ).
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.
Abb. 6-31 Prinzipskizze zur in situ - Messung der Austrittsarbeit mittels Photoemission.
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.
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.
Abb. 7-1 Ergebnisse der Polarisationsmessungen beim Einfang polarisierter Elektronen in den HeI33P-Zustand bei der streifenden Streuung von 25keV He+ (phi-grin~1.5°) beim Wachstum von Fe/Fe(100).
Abb. 7-2 Schematische Darstellung der Proben-Struktur (links) sowie SEMPA-Bild der My-Magnetisierung (rechts) am System Fe/Cr/Fe(100), bei dem von Unguris et al. ein keilförmiger Cr-Film auf einem Fe-Whisker mit Hilfe einer beweglichen Blende präpariert wurde. In der rechten Abbildung zeigt der Kontrast die unterschiedlichen Magnetisierungsrichtungen der Fe-Deckschicht an. Die beiden Teilaufnahmen rechts unterscheiden sich durch die Präparation bei verschiedenen Wachstumstemperaturen von ca. 600K (oben) und ca. 300K (unten). (aus [UCP91])
Abb. 7-3 Spin-Polarisation des HeI33P-Zustandes nach der Streuung von 25keV-He+ (phi-grin=1.7°) am System Fe/Cr/Fe(100) mit unterschiedlichen Cr-Zwischenschichtdicken, gemessen nach Abkühlen auf ca. 300K.
Abb. 7-4 Spin- und Bahn-Polarisation des HeI33P-Zustandes nach Streuung von 25keV He+ (phi-grin~1.7°) während des Wachstums von Cr/Fe(100) unter Variation der Wachstumstemperatur.
Abb. 7-5 Spin-Polarisation des HeI33P-Zustandes nach Streuung von 25keV He+ (phi-grin~1.7°) an Cr/Fe(100) für Filmdicken bis ca. 20ML bei lagenweisem Wachstum des Cr-Films (600K bzw. 640K).
Abb. 7-6 Berechnete magnetische Momente für Cr und Fe in der obersten Substratlage (0) und den ersten Filmlagen (1..3) für das Wachstum von Cr/Fe(100) bei T=600±20K. Es wurden verschiedene Wachstums-Modi entsprechend dem Modell aus Abschnitt 4.2 mit variierendem Transportparameter k und entsprechendem Füllungsgrad f der ersten Monolage angewendet (k=10 / f=0.78, k=35 / f=0.88, k=100 / f=0.925 und k=1000 / f=0.975). Die offenen bzw. geschlossenen Symbole beziehen sich auf den in der Legende jeweils dargestellten Verlauf der Spin-Polarisation.
Abb. 7-7 Darstellung der verschiedenen stabilen Lösungen von TB-LMTO-Rechnungen von Turek et al. [TWF98] für die magnetischen Momente von Cr und Fe in einem abgeschlossenen Film, in dem das deponierte Cr (1ML) völlig ungeordnet auf die obersten beiden Lagen verteilt ist. Die Stärke der Verbindungslinie zusammengehöiger Werte nimmt mit zunehmender Gesamt-Energie des Systems ab.
Abb. 7-8 Vergleich von Meßdaten und Modell-Rechnung der Spin-Polarisation zur Ermittlung der magnetischen Momente in der Oberfläche von Cr/Fe(100) bei T=600±20K.
Abb. 7-9 Asymmetrie von Sekundärelektronen mit Eprim=31.5eV und DeltaE~1.9eV Energieverlust von Cr/Fe(100). (aus [WPH92])
Abb. 7-10 Ergebnisse der Messungen zur Spin-Polarisation von Sekundär-Elektronen mit unterschiedlichen Informationstiefen nach Anregung durch 4keV-Primärelektronen (phi-grin~33°) bzw. 25keV Protonen (phi-grin~1.5°) beim Wachstum von Cr/Fe(100) [POW01] im Vergleich zum Einfang polarisierter Elektronen in den HeI33P-Zustand bei der streifenden Streuung von 25keV He+ (T~600K).
Abb. 7-11 Ergebnisse der Spin- und Bahn-Polarisations-Messungen am HeI33P-Zustand nach Streuung von 25keV-He+ (phi-grin~1.5°) an Mn/Fe(100) während des Film-Wachstums bei 300±5K bzw. 600±20K (unten, offene Symbole: Messung mit Polarisationsautomat, geschlossene Symbole: Messung mit Zweikanaldetektor). Zur Verifizierung des Wachstumsmodus sind im obereren Teil der Abbildung die Gesamt-Intensität des Fluoreszenzlichts bei der Polarisations-Messung sowie Vergleichs-Daten der spekularen Streuausbeute gezeigt.
Abb. 7-12 Normierter Verlauf der Spin-Polarisation für das Sub-Monolagen-Wachstum von Mn/Fe(100) bei unterschiedlichen Temperaturen.
Abb. 7-13 Ergebnisse der Fluoreszenzintensität sowie der Spin- und Bahn-Polarisations-Messungen am HeI33P-Zustand nach Streuung von 25keV-He+ (phi-grin~1.5°) an V/Fe(100) während des Film-Wachstums bei 450±15K bzw. 620±20K. Die Fehlerbalken geben exemplarisch die Streuung zwischen verschiedenen Messungen unter gleichen experimentellen Bedingungen an.
Abb. 7-14 Ergebnisse der (lagenweisen) Modellrechnung für die Spin-Polarisation mit positivem und konstantem magnetischen Moment des Vanadium an der Filmoberfläche ab der zweiten Film-Lage (siehe Text).

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