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Optische Spektroskopie an Metallen und ferromagnetischen Filmen
Herrmann, Theodor
In dieser Arbeit wird Reflexions Anisotropie Spektroskopie (RAS), Raster-Tunnel Mikroskopie (STM) und magneto-optische Kerr-Spektroskopie (MOKE) zur Analyse des Schichtwachstums ferromagnetischer Filme auf Cu(110) Substraten eingesetzt. Die ausführliche Behandlung der optischen Anisotropie von Kupfer-Einkristalloberflächen führt zur Charakterisierung bisher nicht diskutierter RAS Strukturen. Insbesondere erfolgte eine Zuordnung der verschiedenen RAS Beiträge als oberflächennah bzw. oberflächenentfernt. Eine RAS Volumendefektstruktur von Cu Einkristallen wird definiert und charakterisiert. Diese ermöglicht die Beobachtung der Verspannung bzw. der Versetzungsdichte an der Ni/Cu Grenzschicht während des Wachstums des Ni Filmes. Weiterhin wird gezeigt, dass Sauerstoff beim Wachstum von Ni und Co auf Cu(110) als Surfactant wirkt. Hierbei “schwimmt” Sauerstoff während des Wachstums auf der Oberfläche auf. Ni und Co wachsen auf der Cu(110)-(2x1)-O Oberfläche zumindest bis zu einer Schichtdicke von 12 ML epitaktisch. Die ersten vier Monolagen Ni an der Ni/Cu Grenzschicht sind bei Raumtemperatur nicht ferromagnetisch. In einem Schichtdickenbereich von 7.5 ML bis 35 ML Ni auf Cu(110)-(2x1)-O ist die leichte Achse der Magnetisierung vollständig "out-of-plane" orientiert. Ab 12 ML Ni werden vermehrt Defekte in die Filme eingebaut und ab einer Schichtdicke von ca. 18 ML bis 20 ML treten Defekte bzw. Versetzungen im Cu an der Ni/Cu bzw. Co /Cu Grenzschicht auf. Die magneto-optischen Konstanten des Ni Films werden bestimmt und es zeigt sich, dass diese für alle Ni Schichtdicken gleich sind. Eine vermutete 3d-Band Verengung in Folge der Verspannung des Ni Films wird nicht beobachtet. Vielmehr zeigt sich, dass die “Rotverschiebung” der MOKE Spektren auf einen rein optischen Multilageneffekt zurückgeführt werden kann. Diese Untersuchung zeigt, dass Reflexions Anisotropie Spektroskopie in Verbindung mit komplementären Methoden wie STM und MOKE eine umfassende Analyse des Schichtwachstums ferromagnetischer Filme ermöglicht. Insbesondere die Möglichkeit die Verspannung bzw. Defektdichte an der Film/Substrat Grenzschicht während des Wachstums zu beobachten, ermöglicht ein besseres Verständnis der vorliegenden Wachstumsmechanismen. Bisher wurden RAS “Signaturen”, die von Verspannungen und Defekten verursacht sind, nicht tiefergehend analysiert. Diese Arbeit zeigt, wie solche RAS Strukturen quasi als Marker benutzt werden können, um die Eigenschaften an Film/Substrat Grenzschichten zu untersuchen.
This thesis describes the usage of reflectance anisotropy spectroscopy (RAS), scanning tunnelling microscopy (STM) and magneto-optical Kerr spectroscopy (MOKE) for the growth of thin magnetic films on Cu(110) substrates. The optical anisotropy of copper single crystals is discussed in detail and results to the characterisation of jet not discussed RAS structures. Furthermore, the different RAS contributions will be assigned to regions near the surface and regions more away from the surface. A RAS volume-defect-structure will be defined and characterized. This structure enables the examination of the strain (or the density of defects) at the Ni/Cu interface, during the Ni film growth. It is shown, that oxygen acts as a surfactant for the growth of Ni on Cu(110). During the growth, the oxygen stays always at the surface. Ni and Co grow epitaxially on the Cu(110)-(2x1)-O surface, at least up to a film thickness of 12 ML. The first four monolayers of Ni at the Ni/Cu interface are not ferromagnetic at room temperature. The easy axis of magnetization is completely out-of-plane in a thickness range from 7.5 ML to 35 ML Ni on Cu(110)-(2x1)-O. Starting from 12 ML Ni, more and more defects appear in the film. In the thickness range from 18 ML to 20 ML defects (or dislocations) appear in the Cu substrate nearby the Ni/Cu (Co/Cu) interface. The magnetic-optical constants are determined for the Ni films. It is shown that these constants do not vary for different film thickness. A presumed 3d-band narrowing is not observed here. It is shown that the energy shift towards lower energies in the MOKE spectra is just a consequence of optical multilayer effects. This investigation shows, that the combination of reflectance anisotropy spectroscopy with complementary methods like STM and MOKE enables a detailed analysis of the growth of ferromagnetic films. In particular, the possibility of the observation of strain (resp. density of defects) at the film-substrate interface during the growth, leads to a better understanding of the present growth mechanism. Up to now, RAS signatures originated from strain and defects are not investigated in grater depth. This work shows, how this RAS structures can be used as a marker to investigate the film-substrate properties.
