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Breitbandige in situ Ferromagnetische Resonanz und niederfrequente Suszeptibilitätsmessungen an Eisen auf III-V Halbleitern

Römer, Florian M. LSF

Die vorliegende Arbeit beschreibt den Aufbau und dazugehörige Messungen von zweierlei verschiedenen Messmethoden, mit denen die grundlegenden Eigenschaften magnetischer Filme und Mikrostrukturen untersucht werden können: Den Phasenübergang von ferro- zu paramagnetisch durch Suszeptibilitätsmessungen und die intrinsischen statischen sowie dynamischen Eigenschaften der Magnetisierung von Eisenfilmen auf III-V-Halbleitern mit Hilfe der Ferromagnetischen Resonanz (FMR). Es wird eine Methode beschrieben, mit der an einem Photoelektronenmikroskop elementspezifisch und mit lateraler Auflösung von bis zu < 50nm die Reichweite ferromagnetischer Korrelationen am Phasenübergang (Tc) in situ visualisiert werden kann. Hierzu werden Ergebnisse präsentiert, bei denen die maximale Kohärenzlänge in einem Schichtdickengradientenfilm mit 0.7 ± 0.1 m bestimmt wurde. Weitere Messungen an lateral auf Durchmesser 2.44 m strukturierten Filmen zeigen eine signifikante Änderung der Curietemperatur von 1.4K beim direkten Vergleich zum geschlossenen Film. Die Methode erlaubt die gleichzeitige Darstellung der Magnetisierung und magnetischen Suszeptibilität verschiedener Probenbereiche zum selben Zeitpunkt mit der bereits angegebenen lateralen Auflösung. In situ Ferromagnetische Resonanzmessungen wurden zum einen mit Hilfe eines Resonators bei 9.3 GHz und zum anderen mit einer für diese Arbeit konstruierten Kurzschlusstechnik bei 1.5−26.5 GHz durchgeführt. Die Präparation von epitaktischem Fe/InAs(001) wird inklusive einer Untersuchung der schichtdickenabhängigen Beiträge zur gesamten magnetischen Anisotropie mit Hilfe der Resonatortechnik gezeigt. Der Einfluss einer Deckschicht auf die anisotropen Eigenschaften wird ausführlich behandelt. Die magnetische Feldverteilung der für diese Arbeit konstruierten Kurzschlüsse wird anhand von Simulationen verdeutlicht. Auf dieser Technik basierende in situ Messungen im Bereich von 1.5−26.5 GHz werden an epitaktischen Fe/GaAs(110)-Filmen diskutiert. Es stellte sich heraus, dass auch bei 10nm Schichtdicke die Filme nicht relaxiert sind, welches sich unter anderem in einem ungewöhnlich großen g-Faktor von g = 2.61 ± 0.1 äußert. Der oberflächensensitive (Detektionstiefe ca. 2 − 3nm) Magnetische Röntgenzirkulardichroismus (XMCD) gemessen in Remanenz bestätigte dies qualitativ mit g = 2.21 ± 0.02. Die Erhöhung von g ist demnach auf ein stark erhöhtes Bahnmoment (XMCD: ml = 0.22 ± 0.04 μB) zurückzuführen, welches durch eine anisotrope Gitterfehlanpassung erklärt werden könnte. Magnetfeldabhängige Anisotropiebeiträge könnten auf Grund von magnetostriktiven Effekten eine feldabhängige Modifikation des g-Faktors zur Folge haben, was den Unterschied zwischen XMCD und FMR erklärt. Bereits diese ersten in situ Messungen mit dem neu entwickeltem Aufbau zeigten damit bereits ein überraschendes Ergebnis: Einen ungewöhnlich hohen g-Faktor, der nur an unabgedeckten Fe-Schichten im Ultra-Hochvakuum gemessen werden konnte. Zusätzlich werden Ergebnisse zur Ortsauflösung dieser Messmethode und ex situ Messungen der Dämpfungsmechanismen an strukturierten Eisen-Siliziden präsentiert.

This work introduces two kinds of measurement setups which allow to determine basic properties of ferromagnetic thin films and microstructures: Magnetic phase transitions from ferro- to paramagnetic by susceptibility measurements and the intrinsical static as well as dynamic properties of the magnetisation of thin Iron films on III-V semiconductors using ferromagnetic resonance (FMR) in situ in ultra high vacuum (UHV). A method to visualize the correlation length at the magnetic phase transition (Tc) uses a photo electron emission microscope. It allows the element specific determination of Tc in situ at a spatial resolution of < 50nm. A film with a thickness gradient (wedge shaped film) was analysed, and a maximum correlation length of 0.7 ± 0.1 m was determined. Additional measurements on microstructured films (diameter of structure 2.44 m) show a significant reduction of the Curie temperature by 1.4K, when comparing a continous film to the structured areas. This method allows for simultaneous measurement visualisation of the magnetisation and magnetic susceptibility of different sample areas at the same point in time with a spatial resolution of < 50nm. In situ ferromagnetic resonance measurements were performed on the one hand at 9.3 GHz using a conventional cavity, on the other hand in the range of 1.5 − 26.5 GHz using a new microwave setup developed during this work. The preparation of epitaxial Fe/InAs(001) is presented and the thickness dependent evolution of the magnetic anisotropy parameters will be discussed in detail. Results of in situ measurements are presented for epitaxial Fe/GaAs(110) thin films. It turned out that even films with a thickness of 10nm are not relaxed which results in an anomalous high g-factor of g = 2.61±0.1. This large value was qualitatively confirmed by surface sensitive (detection depth 2 − 3nm) x-ray magnetic circular dichroism (XMCD) with g = 2.21±0.02 in remanence. Using the sum rules it was found out that the change of g results from an angular magnetic momentum ml = 0.22 ± 0.04 μB. An anisotropic lattice modification may result in a less quenched orbital moment. Magnetic field dependent magnetic anisotropy parameters induced by magnetostrictive effects explain the differences between the FMR and XMCD results. The first in situ measurements with this setup show a surprising result: An anomalous high g-factor, which could only be observed on uncapped films under ultra high vacuum conditions. In addition, results concerning the spatial resolution of this method and ex situ measurements concerning the damping mechanisms in structured Iron Silicates are presented.

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Römer, Florian M.: Breitbandige in situ Ferromagnetische Resonanz und niederfrequente Suszeptibilitätsmessungen an Eisen auf III-V Halbleitern. 2013.

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