Untersuchung der strukturellen und magnetischen Eigenschaften ultradünner 3d-Metall-Filme auf Fe(100) mit Ionenstrahlen
Creators: name: Igel, Thomas
Publisher: name: Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I
Year: 2001
Subjects: subject: Magnetismus
subject: Streifende Ionenstreuung
subject: Filmwachstum
subject: Fe(100)
subject: Cr/Fe(100)
subject: Mn/Fe(100)
subject: V/Fe(100)
subject: surface scattering of ions
subject: film growth
subject: magnetism
subject: 530 Physik
subject: 29 Physik, Astronomie
subject: UP 6400

description: 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 Grenzflächeninter-diffusion 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 Wachstums-pro-zesses in Echtzeit sowie die quantitative Bestimmung von Stufendichten, kritischen Keim-größen, 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 Konzentra-tionsprofile 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 Fluo-res-zenzlichts 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 Oberflächen-empfindlichkeit 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 homoepitakti-schen 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 Grenz-flächeninterdiffusion anhand experimenteller Ergebnisse von ein und derselben Probe zu beschreiben sowie den Zusammenhang zwischen Struktur, Interdiffusion und Magnetisierung nachzuweisen.
description: 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.