Untersuchung von Struktur und Magnetismus von Sauerstoffadsorbaten auf Übergangsmetallen und von Übergangsmetalloxiden

An der UHV-Apparatur werden das Wachstum, die Struktur und der Magnetismus von Sauerstoffadsorbaten auf Übergangsmetallen und von Übergangsmetalloxiden untersucht. Dabei soll unter anderem analysiert werden, welchen Einfluss die strukturelle und stöchiometrische Zusammensetzung auf die magnetischen Eigenschaften hat. Die Apparatur ist an einen elektrostatischen 400 kV-Beschleuniger, der über eine EZR-Ionenquelle und eine Glühkathoden-Bogen-Ionenquelle verfügt, angeschlossen. Zum anderen ist ein kleiner 25 kV-Ionenbeschleuniger mit einer Penning-Ionenquelle vorhanden, mit dem beispielsweise einfach geladene H+-, He+- oder Ar+-Ionen in einem Projektilenergiebereich von ca. 5 bis 25 keV erzeugt werden können.

Die Untersuchungsmethoden basieren hauptsächlich auf der Streuung schneller Ionen unter streifendem Einfall an der Substrat- bzw. an der Schicht-Oberfläche. Diese Methoden zeichnen sich durch eine hohe Empfindlichkeit auf den Bereich der obersten Atomlagen aus. Folgende Methoden sind vorhanden:

  • Präparation (Sputtern) mittels streifender Streuung von Ar-Ionen zur Erzeugung von atomar sehr glatten Oberflächen
  • Untersuchung von Intensität und Winkelverteilung gestreuter Ionen (Kontrolle der Substratpräparation und des Wachstums von dünnen Schichten)
  • Elektronen- und Ionen-induzierte Auger-Elektronen-Spektroskopie (AES) mit einem Zylindersektor-Analysator vom Typ CSA 300 (Omicron) zur Bestimmung der stöchiometrischen Zusammensetzung
  • integrale Messung der Sekundärelektronenemission nach der streifenden Streuung von H-Atomen mit einem Sperrschicht-Halbleiterdetektor (PIPS, Canberra) zur Analyse der atomaren Struktur der obersten Lage (IST = Ionenstrahltriangulation)
  • Energieaufgelöste Spektroskopie der Spin-Polarisation von Elektronen- und Ionen-induzierten Sekundärelektronen mittels eines SPLEED-Detektors (Omicron) und dem Zylindersektor-Analysator CSA 300
  • Messung der Zirkularpolarisation beim Zerfall angeregter Helium-Atome nach der streifenden Streuung von He+-Ionen und dem Einfang von Spin-polarisierten Target-Elektronen zur Bestimmung der Spin-Polarisation in der obersten Atomlage (ECS = Elektron Capture Spectroscopy)
  • zur Sauerstoff-Bedeckung und zur Oxidation ist eine Quelle für atomaren Sauerstoff vorhanden (Thermal Cracker TC50, Oxford Applied Research)
  • für die Elektronen-induzierten Messungen ist eine Elektronenkanone vom Typ LEG32 (VG) installiert
  • zur Bedampfung (MBE) - vorwiegend mit Übergangsmetallen - ist ein Elektronenstrahlverdampfer vom Typ EFM3 (Omicron) installiert
  • für LEED-Untersuchungen mit einem SPALEED (Omicron) kann das Target in seinem Halter aus seiner Normal-Messposition geklappt/gekippt werden
  • für die Untersuchung der Volumenmagnetisierung ist ein longitudinaler MOKE (magneto-optischer Kerr-Effekt) -Aufbau installiert
  • für die magnetischen Untersuchungen, die vorwiegend in Remanenz erfolgen, ist das Target samt Fassung (Material: VACOFLUX 50) in einem ringförmigen Joch mit rechteckförmiger Querschnittsfläche (Material: VACOFLUX 50) eingesetzt

Aufgrund der unterschiedlichen Eindringtiefen von Elektronen mit Energien z.B. von 2 bis 5 keV und streifend gestreuter Ionen (vorzugsweise Protonen) ergeben sich unterschiedliche Informationstiefen bei der Auger-Spektroskopie für diese beiden Anregungsarten. Daher kann bei Lagenwachstum durch Kombination von Elektronen- und Ionen-induzierter Auger-Elektronen-Spektroskopie ein Konzentrationsprofil bestimmt werden.

Die Besonderheit bei der Ionenstrahltriangulation ist zum einen ihre hohe Empfindlichkeit auf die atomare Struktur der obersten Lage und die äußerst kleinen Projektilströme im Sub-Femtoampere-Bereich. Dadurch ist eine Schädigung bzw. eine Veränderung der atomaren Struktur durch den Projektilstrahl praktisch ausgeschlossen.

Die unterschiedlichen Informationstiefen von ECS (λ ~ 0 ML), Ionen-induziertem SPLEED (λ ~ 1 ML), Elektronen-induziertem SPLEED (λ ~ 5 ML) und MOKE (λ ~ 1000 ML) ermöglichen es, bei Kombination dieser Methoden, ein Profil der Spin-Polarisation in den oberen Lagen eines Systems zu bestimmen.

Mit der installierten Quelle für atomaren Sauerstoff ergibt sich die Möglichkeit die Prozesse der Sauerstoff-Adsorption bzw. der Oxidation mit O zu analysieren und mit den Prozessen bei Verwendung von O2 zu vergleichen. Bisherige Untersuchungen an Fe(110) und Ni(110) zeigen bei der Sauerstoff-Adsorption geordnete Überstrukturen, wobei für die Oxidation mit O um einige Größenordungen kleinere Dosismengen benötigt werden als für O2.

 

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