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Untersuchung der Morphologie und magnetischen Eigenschaften von ionenstrahlgesputterten Eisen- Einzelschichten, Fe/Cr/Fe-und Fe/MgO/Fe-Schichtsystemen

Steeb, Alexandra

In dieser Arbeit wird der Einfluss der Oberflächenbeschaffenheit auf die magnetischen Eigenschaften von ionenstrahlgesputterten Eisenschichten auf GaAs untersucht. Zur Analyse der Struktur der hergestellten Filme wird Beugung niederenergetischer Elektronen (LEED) und Rastertunnelmikroskopie eingesetzt. Die hier verwendeten Methoden zur Untersuchung der magnetischen Eigenschaften sind Kerr-, SQUID-Magnetometrie und ferromagnetische Resonanz. Es zeigt sich, dass sowohl auf unbehandeltem als auch auf vorgesputtertem und geheiztem GaAs-Substrat die gesputterten Eisenfilme epitaktisch aufwachsen. Die geringste Rauigkeit von 1Å zeigen Eisenfilme auf unbehandeltem GaAs, während Eisenfilme auf geheiztem GaAs die höchste Rauigkeit von 30Å aufweisen. Die größte Kristallanisotropiekonstante wird für das vorgesputtete GaAs/Fe-System bestimmt. Für diese Präparationsmethode werden zwei Monolagen Eisen als magnetisch tote Lagen ermittelt. Bei einer Schichtdicke von 100Å wird 83% der Sättigungsmagnetisierung von Volumeneisen erreicht. Die kleinen beobachteten FMR-Linienbreiten sprechen für die guten Volumeneigenschaften des ionenstrahlgesputterten Eisens. Weiterhin wird eine antiferromagnetische Zwischenschichtaustauschkopplung bei gesputterten Fe/Cr/Fe-Schichten erzielt. Für eine Chromzwischenschicht von 12 bis 17Å wird eine Kopplungsstärke bis zu 0,2mJ/m2 gefunden. Um die geringe Kopplungsstärke zu erklären, wird eine starke Durchmischung an den Grenzflächen postuliert. Schließlich werden Fe/MgO/Fe/FeMn-Schichten auf GaAs deponiert. Nach der Strukturierung können an den Tunnelkontakten in Strom-Spannungsmessungen Tunnelprozesse nachgewiesen werden. Die ermittelten Tunnelmagnetowiderstandswerte sind mit 2% niedrig, was mit dem Fehlen scharfer, definierter Grenzflächen sowohl an der Fe/FeMn- als auch an den Fe/MgO-Grenzflächen erklärt werden kann. Diese Resultate zeigen, dass man analog zur MBE beim Ionenstrahlsputterverfahren gute magnetische Volumeneigenschaften an Einzelfilmen erzielen kann. Jedoch werden grenzflächensensitive Phänomene aufgrund starker Durchmischung an den Grenzflächen geschwächt.

In this PhD Thesis, the influence of the surface topography, morphology and structure on magnetic properties of ion beam sputtered iron layers on GaAs is examined. To analyze the structure of the produced iron films, low energy electron diffraction and scanning tunneling microscopy is employed. The utilized methods to investigate the magnetic properties are Kerr- and SQUID- magnetometry and ferromagnetic resonance. It is demonstrated that on untreated as well as on presputtered and heated GaAs subtrates the sputtered iron films grow epitaxially. The least surface roughness of 1Å exhibit iron films grown on untreated GaAs, while iron films on heated GaAs have the highest roughness of 30Å. The largest crystal anisotropy constant is found for the presputtered GaAs/Fe - System. For this preparation method, two monolayers of iron are determined to be magnetically dead layers. At a film thickness of 100Å, 83% of the value for saturation magnetization of bulk iron are achieved. The small observed FMR-linewidths confirm the good bulk properties of the ion beam sputtered iron. Furthermore, an antiferromagnetic interlayer exchange coupling in sputtered Fe/Cr/Fe - films was achieved. For a thickness of 12 to 17Å of the chrome interlayer, a coupling strength up to 0.2mJ/m2 is found. To account for the small coupling strength, a strong intermixing at the interface is assumed. Finally, epitaxial Fe/MgO/Fe/FeMn multilayers are deposited on GaAs. After the structuring, it is possible to detect tunneling processes in the tunneling contacts with current-voltage measurements. The tunnel magneto resistance values of 2% are small, which can be explained by the absence of sharp, well-defined interfaces between the Fe/FeMn and the Fe/MgO interfaces. These results demonstrate, that analog to MBE the ion beam sputtering method realizes good magnetic bulk properties. However, interface sensitive phenomena are weakened because of a strong intermixing at the interfaces.

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Zitierform:

Steeb, Alexandra: Untersuchung der Morphologie und magnetischen Eigenschaften von ionenstrahlgesputterten Eisen- Einzelschichten, Fe/Cr/Fe-und Fe/MgO/Fe-Schichtsystemen. 2008.

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