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Thomas Mairoser
In situ Neutronen-Reflektometrie und Untersuchungen von EuO-Filmen
Betreuer: Prof. Dr. Jochen Mannhart [Experimentalphysik VI]
Datum der mündlichen Prüfung: 15.04.2013
258 Seiten, deutsch , http://opus.bibliothek.uni-augsburg.de/opus4/frontdoor/index/index/docId/2351
Dünne magnetische Schichten bzw. Multilagen mit magnetischen Materialien, wie sie z. B. in Computer-Festplatten zum Einsatz kommen, sind aus unserer Gesellschaft nicht mehr wegzudenken. Um ihre Funktionalität zu verbessern bzw. neue Materialien zu entdecken, ist Forschung an ihnen nötig. Hierbei ist die Charakterisierung der Probeneigenschaften von zentraler Bedeutung. Um Umwelteinflüsse darauf möglichst gering zu halten, ist eine in situ Analyse wünschenswert. Dies ist in Bezug auf die kristallinen bzw. elektronischen Eigenschaften der Proben bereits Standard. Die magnetischen Eigenschaften dagegen lassen sich meist nur ex situ untersuchen. In der Dissertation wurde ein Sputtersystem in Betrieb genommen und verbessert, mit dem die damit hergestellten dünnen Filme in situ mittels Neutronen-Reflektometrie auf die magnetischen Eigenschaften hin charakterisiert werden können. Mit dieser in situ Neutronen-Reflektometrie wurden dünne Eisenschichten untersucht. Im zweiten Teil der Doktorarbeit steht der ferromagnetische Halbleiter EuO im Mittelpunkt. EuO ist ein Halbleiter (Bandlücke 1,2 eV) mit annähernd 100%25 Spinpolarisation, der sich auf den industriell relevanten Halbleitern Si, GaN und GaAs epitaktisch integrieren lässt. Mit seinen herausragenden Transport-, Magnetotransport- und magnetooptischen Eigenschaften ist EuO ein vielversprechendes Material für die halbleiterbasierte Spinelektronik und hierbei insbesondere für die Ohm'sche Spininjektion in Halbleiter. Hinderlich für die Anwendung sind die relativ niedrige Curie-Temperatur (TC) von 69 K und die aufwändige Herstellung. Beide Aspekte werden in der Dissertation in den Blick genommen. Die am weitesten verbreitete Methode zur Steigerung von TC ist die elektronische Dotierung entweder mit Sauerstofffehlstellen oder mit dreiwertigen Dotanten, meist Seltenen Erden. In der Dissertation wurden für die Dotierung mit La, Gd bzw. Lu deutliche Unterschiede aufgezeigt. So ergibt sich aufgrund der Ionengröße eine Begrenzung der maximal erreichbaren Curie-Temperatur für epitaktische La-dotierte EuO-Filme im Gegensatz zur Gd- bzw. Lu-Dotierung. Für sehr geringe Dotierkonzentrationen bilden sich bei Gd-dotierten EuO-Filmen wohl gebundene magnetische Polaronen, die dem Anstieg von TC entgegenwirken. Weiterhin lässt sich TC durch die Änderung der Gitterkonstante von EuO beeinflussen. Anhand biaxial expandierter EuO-Filme auf Substraten mit größeren Gitterkonstanten als der von EuO wurde gezeigt, dass TC auf diese Weise beeinflusst werden kann. Die Herstellung hochqualitativer epitaktischer EuO-Filme basiert standardmäßig auf der aufwändigen Technologie der Molekularstrahlepitaxie (MBE). Im Rahmen der Dissertation wurde ein Verfahren entwickelt, mit dem sich epitaktische EuO-Filme mit dem bedeutend einfacheren Verfahren der Sputterdeposition herstellen lassen. Es basiert auf einer topotaktischen Transformation, bei der aus graphoepitaktischen Eu2O3-Filmen mittels einer Reduktion durch das Aufbringen von Ti auf die Oberfläche epitaktisches EuO entsteht. Die so erzeugten Filme sind von der kristallinen Qualität teilweise besser als Filme, die mittels MBE hergestellt wurden. Es können epitaktische Filme auf Substraten mit Gitterfehlanpassungen zu EuO von bis zu 9%25 realisiert werden.