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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-47076
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2010/4707/


Preparation and Characterisation of Magnetic Nanostructured Samples for Inelastic Neutron Scattering Experiments

Herstellung und Charakterisierung Magnetischer Nanostrukturierter Proben für Inelastische Neutronenstreuexpeimente

Kreuzpaintner, Wolfgang

Originalveröffentlichung: (2010) [1] E. Tartakovskaya, W. Kreuzpaintner, and A. Schreyer. Spin wave dynamics in two- and three- dimensional superlattices of nanosized ferro-magnetic spheres. Journal of Applied Physics, 103:023913, 2008. [2] W. Kreuzpaintner, M. Störmer, D. Lott, D. Solina, and A. Schreyer. Epitaxial growth of nickel on Si(100) by dc magnetron sputtering. Journal of Applied Physics, 104:114302, 2008. [3] W. Kreuzpaintner, J. F. Moulin, D. Lott, R. Kampmann, M. Haese- Seiller, M. Störmer, and A. Schreyer. Time-of-Flight Grazing Incidence Small Angle Neutron Scattering on Gd Nanowires. The European Physical Journal Special Topics, 167:73 – 79, 2009. [4] R. Kampmann, J.-F. Moulin, M. Haese-Seiller, M. Pomm, W. Kreuzpaintner, V. M. Haramus, D. Lott, R. Willumeit, S. Stanglmaier, B. Nickel, M. Müller, J. Rädler, and A. Schreyer. Performance and Use of the Horizontal Reflectometer REFSANS at FRM II Germany. Journal of Physics: Conference Series, submitted.
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SWD-Schlagwörter: Inelastische Neutronenstreuung , Charakterisierung , Röntgenstreuung , Diffuse Streuung , Magnetische Neutronenstreuung , Sputtern , Vakuum , Präparat
Basisklassifikation: 33.99 , 33.75 , 33.68 , 33.16 , 33.05
Institut: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Schreyer, Andreas (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 22.06.2010
Erstellungsjahr: 2010
Publikationsdatum: 20.08.2010
Kurzfassung auf Englisch: Recent advances in thin-film structuring techniques have generated significant interest in the dynamics of spin waves in magnetic nanostructures and the possible use of inelastic neutron scattering (INS) for their investigation.
This thesis describes the design and implementation, at GKSS Research Centre, of equipment for preparation of large and laterally submicron and nanometre structured magnetic samples for such future INS experiments.
After a brief résumé on spin waves in nanostructures, the development work on new purpose-designed equipment, including high vacuum (HV) argon ion beam milling and ultra high vacuum (UHV) e-beam evaporation setups, is described.
Ni nanodot as well as Ni and novel Gd nanowire samples were prepared using combinations of sputter deposition, laser interference lithography, argon ion beam milling, e-beam evaporation and self organisation techniques.
With reference to sample preparation, epitaxial growth studies for Ni on Si(100) substrate were performed, resulting in the development of a new deposition process,
which by thermal tuning allows for the direct epitaxial growth of Ni on Si with unprecedented crystalline quality.
The results of various characterisation experiments on the prepared nanostructured samples, including Scanning Electron Microscopy (SEM), microprobe analysis,
Atomic and Magnetic Force Microscopy (AFM/MFM), Vibrating Sample Magnetometry (VSM), X-ray Diffraction (XRD) and Reflectivity (XRR), unpolarised and Polarised Neutron Scattering (PNR) and off-specular scattering by x-rays and neutrons using rocking scans and Time-Of-Flight Grazing Incidence Small Angle Neutron Scattering (TOF-GISANS), together with various analysis procedures such as Distorted-Wave Born Approximation (DWBA), are reported.
The analysis of a Gd nanowire sample by TOF-GISANS led to a novel evaluation technique which in comparison with single wavelength methods allows portions of reciprocal space to be scanned without changing the angle of incidence by use of
a white neutron beam. The technique is demonstrated in the context of sample characterisation, where it is also applied to the analysis of Ni nanowires.
Kurzfassung auf Deutsch: Die Weiterentwicklung der Strukturierungsmethoden dünner Filme hat zu einem erheblichen Interesse an der Dynamik magnetischer Nanostrukturen und an dem möglichen Einsatz inelastischer Neutronenstreuung (INS) zu ihrer Untersuchung
geführt.
Diese Arbeit beschreibt den Aufbau und die Implementierung von Apparaturen am GKSS Forschungszentrum für die Herstellung großflächiger lateral submikrometer- und nanometer- strukturierter Proben für künftige INS Experimente.
Nach einem kurzen Resümee zu Spinwellen in Nanostrukturen wird die Entwicklungsarbeit an neuen, anwendungsspezifischen Geräten wie einer Hoch-Vakuum
(HV) Ionenstrahlätzanlage und einer Ultra-Hoch-Vakuum (UHV) Elektronenstrahlverdampferanlage beschrieben.
Proben mit Ni-Nanopunkten sowie Ni- und neuartigen Gd-Nanodrähten wurden mittels komplementärem Einsatz von Ionenzerstäuben, Laserinterferenzlithographie,
Elektronenstrahlverdampfen und Selbstorganisation hergestellt.
Im Rahmen der Probenherstellung wurden auch Studien zum epitaktischen Wachstum von Ni auf Si(100) Substraten durchgeführt. Diese führten zur Entwicklung eines neuartigen Beschichtungsprozesses, der durch gezieltes Nachregeln der Temperatur das direkte epitaktische Wachstum von Ni auf Si mit bisher unerreichter kristalliner Qualität ermöglicht.
Die Ergebnisse der verschiedensten Charakterisierungsexperimente an den hergestellten lateral nanostrukturierten Proben sind anschließend, nebst verschiedener Analyseverfahren wie Distorted-Wave Born Approximation (DWBA), dargestellt.
Diese umfassen Rasterelektronenmikroskopie (SEM), Elektronenmikrosondenanalyse, Raster- und Magnetkraftmikroskopie (AFM/MFM), Vibrating-Sample-Magnetometer-Messungen (VSM), Röntgen-Diffraktion (XRD) und Reflektivitätsmessungen (XRR), unpolarisierte und polarisierte Neutronenstreuung sowie off-spekuläre
Röntgen- und Neutronenstreuexperimente mittels "rocking scans" und Flugzeit-Neutronen-Kleinwinkelstreuung unter streifendem Einfall (TOF-GISANS).
Die Analyse einer Probe mit Gd-Nanodrähten mittels TOF-GISANS führte darüber hinaus zu einer neuartigen Auswertetechnik, die die Nutzung eines "weißen" Neu-
tronenstrahls erlaubt und im Vergleich zu monochromatisch arbeitenden Geräten das Abscannen von Bereichen im reziproken Raum ohne Änderung des Neutronen-
Einfallswinkels ermöglicht. Die Technik ist im Rahmen der Probencharakterisierung dargestellt und wurde auch zur Analyse von Ni-Nanodrähten herangezogen.

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