Maskentechnik zur Erzeugung epitaktischer Nanostrukturen und Modifikation der magnetischen Anisotropie von ultradünnen Co/Au(111)-Filmen durch Ionenätzen

Abstract

Diese Doktorarbeit untersucht ultradünne epitaktische Co/Au(111)-Strukturen. Insbesondere werden deren magnetisch anisotropes Verhalten analysiert. Um epitaktische Nanostrukturen untersuchen zu können, wurde eine Methode entwickelt, diese mit Hilfe einer Maskentechnik herstellen zu können. Dazu werden die Masken aus einer Siliziumnitritmembran mit fokussierten Ionenstrahlen ausgeschnitten und auf einen Träger aufgebracht, welcher im Ultrahochvakuum auf der Einkristall-Probe abgesetzt werden kann. Durch thermisches Verdampfen wird das Verdampfergut,z.B. Kobalt, auf dem Substrat abgeschieden und es wachsen epitaktische Nanostrukturen. Die Maske kann mehrfach wiederverwendet werden, sodass zum Beispiel Strukturen mit den selben lateralen Abmessungen, aber unterschiedlichen Schichtdicken hergestellt werden können. Die so hergestellten Strukturen werden mit dem magnetooptischen Kerreffekt hinsichtlich ihrer magnetischen Eigenschaften, insbesondere der magnetischen Anisotropie untersucht. In dieser Arbeit wird die Konzeption, die Konstruktion sowie der Aufbau der Ultrahochvakuumanlage beschrieben, mit der dieses Herstellungsverfahren realisiert wurde.

Weiterhin wird die magnetische Anisotropie ausgedehnter Co/Au(111)-Filme untersucht, die durch Ionenbeschuss abgetragen wurden. Dabei wird die Oberfläche der epitaktischen Filme verändert und die Oberflächenanisotropie wird verringert. Dadurch geht die bei geringen Schichtdicken vorhandene senkrechte Magnetisierungsrichtung verloren. Bei geringen Energien gelingt es aber, die Filme so abzutragen, dass die senkrechte Anisotropie nicht vollständig verloren geht und wiederum zu einer senkrechten Magnetisierung kommt. Dieses Verhalten wird mit der konstruierten Anlage untersucht und ein Modell zu Erklärung diskutiert. Mit den Ergebnissen ist es möglich, die beiden vorhandenen Grenzflächenanisotropien der Oberfläche, sowie der Grenzfläche zwischen Co und Au getrennt anzugeben.

In this thesis ultrathin epitaxial Co/Au(111)-nanostructures and especially their magnetic anisotropic behaviour are examined. I develop a method to produce epitaxial nanostructures using a mask technique. The masks are cut of a silicon nitride membrane by focussed ion beam and mounted on a support which can be placed in ultrahigh vacuum on a single-crystal sample. By thermal evaporation, the cobalt is deposited on the substrate and epitaxial nanostructures grow. The masks can be reused several times and it is thus possible to generate structures with the same lateral dimensions but different layer thicknesses. The so prepared structures are studied using the magneto-optical Kerr effect with a special focus on their magnetic anisotropy. This thesis describes the design, construction and the assembly of a ultra high vacuum apparatus as well as its application to the afore mentioned processes. Furthermore, the magnetic anisotropy of extended Co/Au(111) films, which were removed by ion bombardment, is investigated. The bombardment changes the surface of the epitaxial films and reduces the surface anisotropy. Hence, the existing perpendicular magnetization direction of ultrathin films is lost. At low energies, however, it is possible to erode the films so that the perpendicular anisotropy is not completely lost, but in turn leads to a new perpendicular magnetization. I investigate this behaviour and discuss a model of explanation. As a result, the experiments are able to provide separate measures of the surface anisotropy and the Co-Au interface anisotropy.