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Authors: Kozina, Xeniya
Title: Hard x-ray photoelectron spectroscopy of bulk and thin films of Heusler compounds
Online publication date: 4-May-2012
Language: english
Abstract: X-ray photoemission spectroscopy (XPS) is one of the most universal and powerful tools for investigation of chemical states and electronic structures of materials. The application of hard x-rays increases the inelastic mean free path of the emitted electrons within the solid and thus makes hard x-ray photoelectron spectroscopy (HAXPES) a bulk sensitive probe for solid state research and especially a very effective nondestructive technique to study buried layers.rnThis thesis focuses on the investigation of multilayer structures, used in magnetic tunnel junctions (MTJs), by a number of techniques applying HAXPES. MTJs are the most important components of novel nanoscale devices employed in spintronics. rnThe investigation and deep understanding of the mechanisms responsible for the high performance of such devices and properties of employed magnetic materials that are, in turn, defined by their electronic structure becomes feasible applying HAXPES. Thus the process of B diffusion in CoFeB-based MTJs was investigated with respect to the annealing temperature and its influence on the changes in the electronic structure of CoFeB electrodes that clarify the behaviour and huge TMR ratio values obtained in such devices. These results are presented in chapter 6. The results of investigation of the changes in the valence states of buried off-stoichiometric Co2MnSi electrodes were investigated with respect to the Mn content α and its influence on the observed TMR ratio are described in chapter 7.rnrnMagnetoelectronic properties such as exchange splitting in ferromagnetic materials as well as the macroscopic magnetic ordering can be studied by magnetic circular dichroism in photoemission (MCDAD). It is characterized by the appearance of an asymmetry in the photoemission spectra taken either from the magnetized sample with the reversal of the photon helicity or by reversal of magnetization direction of the sample when the photon helicity direction is fixed. Though recently it has been widely applied for the characterization of surfaces using low energy photons, the bulk properties have stayed inaccessible. Therefore in this work this method was integrated to HAXPES to provide an access to exploration of magnetic phenomena in the buried layers of the complex multilayer structures. Chapter 8 contains the results of the MCDAD measurements employing hard x-rays for exploration of magnetic properties of the common CoFe-based band-ferromagnets as well as half-metallic ferromagnet Co2FeAl-based MTJs.rnrnInasmuch as the magnetoresistive characteristics in spintronic devices are fully defined by the electron spins of ferromagnetic materials their direct measurements always attracted much attention but up to date have been limited by the surface sensitivity of the developed techniques. Chapter 9 presents the results on the successfully performed spin-resolved HAXPES experiment using a spin polarimeter of the SPLEED-type on a buried Co2FeAl0.5Si0.5 magnetic layer. The measurements prove that a spin polarization of about 50 % is retained during the transmission of the photoelectrons emitted from the Fe 2p3/2 state through a 3-nm-thick oxide capping layer.rn
Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) ist eine der gebräuchlichsten und vielseitigsten Methoden, um die chemischen Zusammensetzung und elektronischen Struktur von Materialien zu bestimmen. Die Anwendung von harten Röntgenstrahlen erhöht die mittlere freie Weglänge der emittierten Elektronen im Festkörper. Somit ist hard X-ray Photoelektronenspektroskopie (HAXPES) eine ideale Methode um Volumeneigenschafen zerstörungsfrei zu bestimmen. rnDiese Arbeit fokussiert sich auf die Untersuchung von mehrschichtigen Strukturen, die als Bauelemente in Tunnelkontakten den magnetischen Tunnelwiderstand (TMR) nutzen wobei verschiedene Anwendungen der HAXPES Technik zum Einsatz kommen. Solche Spintronik-Bauelemente sind wichtige Komponenten der Nanotechnik. HAXPES ermöglicht die Untersuchung und das detaillierte Verständnis der Mechanismen und Eigenschaften der verwendeten magnetischen Materialien, bestimmt durch ihre Elektronenstruktur, die für die Leistung dieser Bauelemente bestimmend sind. rnAusführlich wurde die B-Diffusion von auf CoFeB basierenden Tunnelelementen als Funktion der Anlass-Temperatur und die daraus resultierenden Änderungen der elektronischen Struktur der CoFeB Elektroden untersucht, wodurch der hohe TMR-Wert erklärt werden kann. Diese Ergebnisse werden in Kapitel 6 dieser Arbeit erläutert. Die Änderung der Valenzzustände und des TMR von nicht stöchiometrischen Co2MnSi-Elektroden bei Änderung des Mangangehalts  wurden mittels hochauflösender HAXPES untersucht, die Ergebnisse sind in Kapitel 7 dargestellt.rnUm magnetoelektrische Eigenschaften wie die Austauschaufspaltung in Ferromagneten näher zu bestimmen, eignet sich die Untersuchung des magnetischen zirkularen Dichroismus (MCDAD) mittels Photoemission. Dabei tritt eine Asymmetrie in den Photoemissions-spektren auf, wenn entweder die Helizität bei fester Magnetisierung der Probe oder die Magnetisierungsrichtung bei fester Helizität verändert wird. Da diese Technik bis jetzt aufgrund niedriger Photonenergien nur zur Untersuchung von Oberflächen zu gebrauchen war, wurde diese Methode in HAXPES Experimente integriert, um einen Zugang zu den magnetischen Eigenschaften von komplexen Multilagensystem zu erlangen. Die Ergebnisse der MCDAD Messungen an CoFe und an vergrabenen Tunnelkontakten aus halbmetallischen Ferromagneten Co2FeAl mittels hochenergetischer Röntgenstrahlung sind in Kapitel 8 dargestellt.rnObwohl die magnetoresistiven Eigenschaften von Spintronik-Bauelementen durch den Spin der Elektronen der ferromagnetischen Materialien festgelegt sind, waren direkte Messungen der Spinpolarisation bis jetzt aufgrund der Oberflächensensitivität der klassischen Photoemission eingeschränkt. In Kapitel 9 werden die ersten Ergebnisse von spinaufgelösten HAXPES Experimenten an magnetischen Schichtsystemen aus Co2FeAl0.5Si0.5 mittels eines SPLEED Spin-Polarimeters präsentiert. Die Messungen belegen eine 50 % Spin-Polarisation der Photoelektronen der durch eine 3 nm dicke Oxiddeckschicht emittierten Photoelektronen aus Fe 2p3/2 Zuständen. Damit ist gezeigt, dass die Methode des Spin-HAXPES für die magnetische Charakterisierung von vergrabenen Schichten und inneren Grenzschichten möglich ist. Dies eröffnet für die Zukunft eine neue Klasse von Experimenten.rn
DDC: 540 Chemie
540 Chemistry and allied sciences
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place: Mainz
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-2024
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: in Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent: 126 S.
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