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Leiter:
Prof. Dr. K. H. Rieder Tel.: ++49-30-838 2805
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| Fachbereich Physik
Arnimallee 14 D-14195 Berlin |
Stellvertreter:
Dr. Stefan Fölsch
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Dr. Stefan Fölsch
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Magnetostriktion, intrinsische Spannungen und Magnetisierung in dünnen metallischen SchichtenMethoden
(R. Koch, J. Walz, G. Wedler, A. Greuer)He-Atomstrahlstreuung und Gitterschwingungen in dünnen metallischen Filmen
(W. Theis, H. Tröger)Strukturuntersuchungen von dünnen metallischen Filmen mit SPA-LEED und STM
(S. Fölsch, A. Helms, A. Steidinger)
Publikationen
(Auswahl)
Teilprojekt A5 befaßt sich mit dem Einfluß von Wachstum, Struktur und Dimensionalität auf die magnetischen Eigenschaften dünner Schichten, wobei der Schwerpunkt auf der Untersuchung der magnetoelastischen Eigenschaften liegt.Magnetostriktion, intrinsische Spannungen und Magnetisierung in dünnen metallischen Schichten
(R. Koch, J. Walz, G. Wedler, A. Greuer)Im Mittelpunkt von Unterprojekt I stehen Untersuchungen der magnetoelastischen Eigenschaften dünner Schichten. In magnetischen Materialien führen Gitterverzerrungen nicht nur zu einem quadratisch abhängigen Energiebeitrag (elastische Energie) sondern zusätzlich noch zu einem linearen Energieterm (magnetoelastischen Kopplung), der sowohl eine Erhöhung als auch eine Absenkung der Gesamtenergie bewirken kann. Dabei sind die als Magnetostriktion bekannten Änderungen der Gleichgewichtsabmessungen als Effekt zweiter Ordnung üblicherweise vernachlässigbar (l = 10- 6 - 10- 5). In pseudomorphen epitaktischen Dünnschichten allerdings kommt den magnetoelastischen Energiebeiträgen große Bedeutung zu, weil sie aufgrund der oft sehr starken Gitterverzerrungen durch den Misfit zwischen Film und Substrat die Größenordung der übrigen Energiebeiträge (z.B. magnetokristalline Energie, Formanisotropie) erreichen und daher von der Volumenphase abweichende magnetische Anisotropien stabilisieren können. Beispielsweise beträgt die magnetoelastische Energie von epitaktischen Fe(001) Schichten (FME = B1e 1 für a 1 =1, B1 = -3.43× 106 J/m3,) bei einem Misfit von einem Prozent (e 1 = 0.01) 3.43× 104 J/m3, was etwa 60% der magnetokristallinen Energie entspricht (K1 = 5.46× 104 J/m3).
Die Untersuchungen erfolgen mit dem Ziel, die magnetoelastische Energie von strukturell definierten, d.h. epitaktischen dünnen Schichten quantitativ und als Funktion der Schichtdicke zu bestimmen. Dies erfordert schichtdickenabhängige Absolutwertmessungen der magnetoelastischen Kopplungskonstanten wie auch der intrinsischen Filmspannungen, die Aufschluß über die mittlere Gitterverzerrung geben. Als zentrale Untersuchungsmethode dient ein im Rahmen des Sonderforschungsbereichs entwickeltes, hochempfindliches, UHV-kompatibles Biegebalkenmagnetometer (Abb.1), mit dem die magnetoelastischen Kopplungskonstanten, das magnetische Moment und die intrinsischen Spannungen dünner Schichten quantitativ bis in den Monolagenbereich bestimmt werden können [1]. Am System Fe(001)/MgO(001) ist es mittlerweile gelungen, die starke Abhängigkeit der magnetoelastischen Eigenschaften dünner Schichten vom jeweiligen Spannungszustand nachzuweisen [6]. Offensichtlich können bei für epitaktisches Wachstum üblichen Misfit-Verzerrungen im Prozentbereich die quadratischen Glieder zur magnetoelastischen Energie nicht länger vernachlässigt werden.
In Unterprojekt II werden die Oberflächenphononen dünner Schichten mittels zerstörungsfreier He-Atomstrahlstreuung untersucht. Ein Schwerpunkt gilt dem Studium der Temperaturabhängigkeiten von Phononeneigenschaften magnetischer Schichten in der Nähe der magnetischen Phasenübergänge. Bei magnetischen Materialien können magnetoelastische Effekte zu interessantem Temperaturverhalten in der Phononendispersion führen. So zeigen elastische Konstanten einiger ferro- als auch antiferromagnetischer Volumenmaterialien zum Teil deutliche Annomalien am Phasenübergang, die sich insbesondere in der Schallgeschwindigkeit der Rayleighwelle widerspiegeln sollten. Aber auch entfernt von dem Brillouinzonenzentrum sind Temperatureffekte zu erwarten, die allerdings kein direktes Abbild der Anomalien der elastischen Konstanten sind.
In Kooperation mit dem Teilprojekt B6 werden Untersuchungen zu Wachstum und Oberflächenphononen einzelner Monolagen von Sb auf III-V-Halbleiter-(110)-Spaltflächen durchgeführt, die auch für das theoretische Verständnis (u.a. Teilprojekt B1) interessant sind. Außerdem wird die Anregung von Elektron-Loch-Paaren in dünnen H-bedeckten W(110)-Filmen untersucht. An wasserstoffgesättigten W(110) und Mo(110) Oberflächen von Volumenkristallen sind in den letzten Jahren Anomalien der akustischen Oberflächenphononen beobachtet worden. Einerseits beobachtet man Kohn-Anomalien in der Phononendispersion, die auf die Wechselwirkung der elektronischen Zustände mit den Gitterschwingungen zurückgehen und mit HREELS und HAS beobachtet werden können. Andererseits treten an gleicher Stelle auch sogenannte giant anomalies in der HAS auf, die auf die Wechselwirkung der elektronischen Zustände mit dem He-Atom zurückgehen (Elektron-Loch-Paarerzeugung) und demzufolge bei HREELS nicht auftreten. Beiden Phänomenen liegt ein fermi nesting in der elektronischen Oberflächenbandstruktur zugrunde. Es soll nunmehr mit inelastischer He-Atomstrahlstreuung untersucht werden, inwieweit diese Anomalien auch an entsprechenden wasserstoffgesättigten W(110) bzw. Mo(110) Oberflächen dünner Filme weiter bestehen. Dadurch lassen sich Einblicke in den Prozess der Ausbildung von elektronischen Bändern, Oberflächenzustände und Oberflächenbandlücken mit steigender Schichtdicke gewinnen.
Strukturuntersuchungen
von dünnen metallischen Filmen mit SPA-LEED und STM
(S. Fölsch, A. Helms, A. Steidinger)
Das dritte Unterprojekt konzentriert sich auf Wachstum, Struktur und Morphologie ultradünner magnetischer 3d-Metallfilme, die mit Hilfe der Atomstrahlepitaxie auf nicht-magnetischen Metalloberflächen erzeugt werden. Insbesondere wird die Korrelation der strukturellen Parameter mit den magnetischen Filmeigenschaften untersucht (d.h. Art des magnetischen Zustandes, Richtung der spontanen Magnetisierung, Spin-Reorientierungs-übergänge). Als Substrate werden Oberflächen mit uniaxialer Symmetrie verwendet [zB. Cu(311), Rh(311)], um die strukturellen und morphologischen Filmeigenschaften durch (i) anisotrope Oberflächendiffusion während des Wachstums sowie durch(ii) misfit-induzierte uniaxiale Gitterverspannungen zu modifizieren [1-3].
Ein weiterer thematischer Schwerpunkt konzentriert sich auf die Untersuchung pseudomorpher magnetischer Schichten, die durch eine verzerrte oder auch eine von der Gleichgewichtsphase abweichende Kristallstruktur gekennzeichnet sind [4] (z.B. Co/Rh(311) in verzerrter hcp-Struktur, Co/Cr(110) in metastabiler bcc-Struktur). Insbesondere steht die Frage nach der strukturellen Stabilität und den magnetischen Eigenschaften der pseudomorphen Phasen im Vordergrund.
· CBM (cantilever beam magnetometer)
Im Rahmen des Sonderforschungsbereichs wurde ein hochempfindliches, UHV-kompatibles Biegebalkenmagnetometer (Abb.1) entwickelt, mit dem die magnetoelastischen Kopplungskonstanten, das magnetische Moment und die intrinsischen Spannungen dünner Schichten quantitativ bis in den Monolagenbereich bestimmt werden können [1].
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Meßprinzip: Die magnetischen Dünnschichten werden auf das einseitig eingespannte Substrat (S) abgeschieden. Die Auslenkung des freien Substratendes aufgrund der magnetischen und mechanischen Kräfte wird mittels einer kapazitiven Meßeinrichtung (C) mit Atomlagen-Empfindlichkeit bestimmt und daraus die entsprechenden Absolutwerte für die jeweiligen Kenngrößen berechnet.· Elastische und inelastische Atomstrahlstreuung