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Authors: Oster, Jens
Title: Magnetic properties of selected 3d- and 4f-systems on alpha-Al 2 O 3 substrates
Online publication date: 3-Feb-2005
Language: english
Abstract: In this work the growth and the magnetic properties of the transition metals molybdenum, niobium, and iron and of the highly-magnetostrictive C15 Laves phases of the RFe2 compounds (R: Rare earth metals: here Tb, Dy, and Tb{0.3}Dy{0.7} deposited on alpha-Al2O3 (sapphire) substrates are analyzed. Next to (11-20) (a-plane) oriented sapphire substrates mainly (10-10) (m-plane) oriented substrates were used. These show a pronounced facetting after high temperature annealing in air. Atomic force microscopy (AFM) measurements reveal a dependence of the height, width, and angle of the facets with the annealing temperature. The observed deviations of the facet angles with respect to the theoretical values of the sapphire (10-1-2) and (10-11) surfaces are explained by cross section high resolution transmission electron microscopy (HR-TEM) measurements. These show the plain formation of the (10-11) surface while the second, energy reduced (10-1-2) facet has a curved r shape given by atomic steps of (10-1-2) layers and is formed completely solely at the facet ridges and valleys. Thin films of Mo and Nb, respectively, deposited by means of molecular beam epitaxy (MBE) reveal a non-twinned, (211)-oriented epitaxial growth as well on non-faceted as on faceted sapphire m-plane, as was shown by X-Ray and TEM evaluations. In the case of faceted sapphire the two bcc crystals overgrow the facets homogeneously. Here, the bcc (111) surface is nearly parallel to the sapphire (10-11) facet and the Mo/Nb (100) surface is nearly parallel to the sapphire (10-1-2) surface. (211)-oriented Nb templates on sapphire m-plane can be used for the non-twinned, (211)-oriented growth of RFe2 films by means of MBE. Again, the quality of the RFe2 films grown on faceted sapphire is almost equal to films on the non-faceted substrate. For comparison thin RFe2 films of the established (110) and (111) orientation were prepared. Magnetic and magnetoelastic nmeasurements performed in a self designed setup reveal a high quality of the samples. No difference between samples with undulated and flat morphology can be observed. In addition to the preparation of covering, undulating thin films on faceted sapphire m-plane nanoscopic structures of Nb and Fe were prepared by shallow incidence MBE. The formation of the nanostructures can be explained by a shadowing of the atomic beam due to the facets in addition to de-wetting effects of the metals on the heated sapphire surface. Accordingly, the nanostructures form at the facet ridges and overgrow them. The morphology of the structures can be varied by deposition conditions as was shown for Fe. The shape of the structures vary from pearl-necklet strung spherical nanodots with a diameter of a few 10 nm to oval nanodots of a few 100 nm length to continuous nanowires. Magnetization measurements reveal uniaxial magnetic anisotropy with the easy axis of magnetization parallel to the facet ridges. The shape of the hysteresis is depending on the morphology of the structures. The magnetization reversal processes of the spherical and oval nanodots were simulated by micromagnetic modelling and can be explained by the formation of magnetic vortices.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden das Wachstum und die magnetischen Eigenschaften der Metalle Molybdän, Niob und Eisen und der hoch-magnetostriktiven C15 Laves Phasen der RFe2 Verbindungen (R: Seltene Erden: hier Tb, Dy und Tb{0.3}Dy{0.7}) auf alpha-Al2O3 (Saphir) Substraten untersucht. Neben (11-20) (a-plane) orientierten Saphir Substraten wurden hauptsächlich (10-10) (m-plane) orientierte Substrate verwendet. Diese zeigen bei Hochtemperaturtempern an Luft die Ausbildung von ausgeprägten Facetten. nRasterkraftmikroskopie-Untersuchungen zeigen eine Abhängigkeit der Facettenhöhe, -breite und -winkel von der Tempertemperatur. Die hierbei gemessenen Abweichungen der Facettenwinkel von den theoretischen Werten der erwarteten Saphir (10-1-2) und (10-11) Flächen konnten in hochauflösenden Transmissionselektronenmikroskopie-Untersuchungen (TEM) geklärt werden. Diese zeigen eine vollständige Ausbildung der (10-11) Facttenflächen, während die zweite Facettenseite lediglich im Bereich der Spitzen und Täler aus glatten Flächen der energiereduzierten (10-1-2) Oberfläche besteht. Mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE) aufgebrachte Mo beziehungsweise Nb Schichten zeigen auf facettiertem und nicht-facettiertem Saphir m-plane das gleiche unverzwillingte, (211)-orientierte epitaktische Wachstum, wie Röntgenstruktur- und TEM-Untersuchungen belegen. Hierbei kommt es auf facettiertem Saphir zu einem homogenen Überwachsen der Facetten durch die bcc Kristalle, wobei die bcc ( 111) Fläche nahezu parallel auf der Saphir (10-11) Facette und die (100) Fläche nahezu parallel auf der (10-1-2) Facettenseite wächst. Auf (211)-orientierte Nb Schichten mittels MBE aufgebrachte RFe2 Filme zeigen ebenfalls ein unverzwillingtes, (211)-orientiertes epitaktisches Wachstum, wobei auch hier ein zum nicht-facettierten Templat qualitativ gleichwertiges Wachstum auf facettierten Unterlagen auftritt. Zum Vergleich wurden darüber hinaus RFe2 Filme der etablierten (110) und (111) Orientierung hergestellt. Magnetische und in einem eigens konstruierten Aufbau durchgeführte magnetoelastische Messungen zeigen eine hohe Qualität der Proben, wobei hier kein Unterschied zwischen facettierter und nicht-facettierter Morphologie auftritt. Zusätzlich zur Herstellung bedeckender, gewellter Filme auf facettiertem Saphir m-plane wurden mittels MBE unter flachem Einfallswinkel nanoskopische Strukturen von Nb und Fe hergestellt. Dabei wurde sowohl ein Abschattungseffekt des Atomstrahls im Ultrahochvakuum durch die Facetten als auch Entnetzungseffekte der Metalle auf der Saphiroberfläche ausgenutzt. Dementsprechend bilden sich die Strukturen an den Spitzen der Facetten aus und überwachsen diese. Besonders für Eisen konnte eine depositionsabhängige Morphologie der Strukturen erreicht werden, die von perlenkettenartig aufgereihten runden Nanotropfen von wenigen 10 nm Durchmesser über ovale Nanotropfen von wenigen 100 nm Länge bis zu durchgehenden Nanodrähten reicht. Magnetisierungsmessungen zeigen eine uniaxiale Anisotropie der Strukturen mit der leichten Achse der Magnetisierung parallel und der harten Achse senkrecht zu den Facettengipfeln. Darüber hinaus ist die Form der Hysteresen abhängig von der Morphologie der Strukturen. Die Ummagnetisierungsprozesse der runden und ovalen Nanotropfen wurde mittels mikromagnetischen Modellierungen durch die Ausbildung von magnetischen Vortices erlärt.
DDC: 530 Physik
530 Physics
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place: Mainz
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-3071
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: in Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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