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Magneto-optische Reflexionsspektroskopie mittels linear polarisierter Synchrotronstrahlung an dünnen einkristallinen Fe-, Co- und Ni-Schichten

Tesch, Marc Frederic - Universität Duisburg-Essen (2014)


Die Entwicklung und Erforschung neuer auf magnetischen Materialien basierenden Systeme, z.B. für die Spintronik, schreitet stetig voran. Zur Untersuchung und Charakterisierung solcher magnetischer Materialien haben sich magneto-optische Spektroskopiemethoden mit polarisierter Synchrotronstrahlung fest etabliert. In der vorliegenden Arbeit wurden systematisch die ferromagnetischen Übergangsmetalle Fe, Co und Ni in kristalliner Form mittels magneto-optischer Reflexionsspektroskopie an den 3p- und 2p-Absorptionskanten untersucht. Im Gegensatz zur häufig genutzten Elektronenspektroskopie zeigt sich die Reflexionsspektroskopie als photon-in - photon-out Methode vor allem im extremen Ultraviolett (EUV) an den 3p-Kanten von Fe, Co und Ni als besonders gut geeignet, da das Reflexionsvermögen der Proben in diesem Energiebereich auch für senkrechten Lichteinfall leicht messbar ist. In jüngster Zeit konzentriert sich die Forschung auf die Beeinflussung magnetischer und elektronischer Eigenschaften durch kristalline Anisotropie und deren Detektion mittels magneto-optischer Spektroskopiemethoden. Hierzu existieren bisher nur einige wenige Messungen, hauptsächlich an den 2p-Kanten von Fe-, Co- und Ni-Verbindungen.

Das Hauptaugenmerk der Arbeit liegt auf dem Einfluss der magnetokristallinen Anisotropie auf magneto-optische Effekte an den 3p-Kanten von reinem Fe, Co und Ni. Es kann gezeigt werden, dass sich der transversale und der longitudinale magneto-optische Kerr-Effekt (L-MOKE und T-MOKE), welche linear in der Magnetisierung sind, als ungeeignet erweisen die Orientierung der magnetischen Momente im Kristall zu detektieren. In dieser Arbeit steht daher der magnetische Röntgenlineardichroismus (XMLD), welcher quadratisch in der Magnetisierung ist, im Vordergrund. Es konnte hier erstmalig gezeigt werden, dass der XMLD auch an den 3p-Kanten sehr empfindlich auf die Orientierung der Magnetisierung bezüglich der Kristallachsen reagiert. Dabei erfahren die XMLD-Spektren für unterschiedliche Orientierung des Kristalls Änderungen von bis zu 100%. In Kombination mit den Vorteilen der Reflexionsspektroskopie macht dies den XMLD zu einem hervorragenden Werkzeug um magnetische kristalline Strukturen zu untersuchen. Zudem wird in dieser Arbeit gezeigt, dass Interferenzeffekte einen entscheidenden Einfluss auf die mittels Reflexionsspektroskopie gemessenen Spektren haben können. Im Gegensatz zu T-MOKE zeigt sich der XMLD an den 3p-Kanten jedoch wesentlich unanfälliger gegen störende Einflüsse von Interferenz. Zur Detektion des XMLD, der in etwa um eine Gröÿenordnung geringer ausfällt als z.B. T-MOKE, wurden im Rahmen dieser Arbeit umfangreiche Experimentiervorrichtungen entwickelt, aufgebaut und in Betrieb genommen.

Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Validierung theoretischer Bandstrukturmodelle. Die vorgestellten experimentellen Spektren werden mit ab initio Rechnungen verglichen und es werden Rückschlüsse auf die Anwendbarkeit eines Ein-Elektronen-Ansatzes gezogen. Dabei konnte gezeigt werden, dass ab initio Rechnungen mittels LSDA die XMLD-Spektren an den 3p-Kanten von Fe sehr gut reproduzieren können. Zudem wird ein Modell vorgestellt, welches es erlaubt die Austauschaufspaltung der Rumpfzustände direkt in den XMLD-Spektren zu identifizieren. Die in der Arbeit systematisch durchgeführte Untersuchung des XMLD erweitert somit das Verständnis des magnetischen Röntgenlineardichroismus auf den Energiebereich des EUV und kann als Grundstein für zukünftige Anwendungen dienen, welche diesen Energiebereich nutzen.


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