Dissertation Nr. 3304

Titel:

Tieftemperatur-Magnetkraftmikroskopie an dünnen Manganperowskit-Filmen und Hochtemperatursupraleiter-Einkristallen

Autor:

Marcus Liebmann

Datum der Disputation:

17.03.2003

Inhaltsangabe

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Abbildung magnetischer Strukturen auf Manganperowskiten und Hochtemperatur-Supraleitern mit der Methode der Magnetkraftmikroskopie.

Im ersten Teil wird zunächst eine Übersicht über Grundlagen des Magnetismus und der magnetischen Mikroskopie gegeben. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf der Magnetkraftmikroskopie als einer Anwendung der Rasterkraftmikroskopie und den zugrundeliegenden Wechselwirkungen und Kontrastmechanismen. Um magnetische Strukturen bei tiefen Temperaturen, im Ultrahochvakuum (UHV) und im Magnetfeld untersuchen zu können, wurde ein Rasterkraftmikroskop im Hamburg-Design mit interferometrischer Detektion und xy-Verschiebetisch in eine UHV-Anlage mit Helium-Badkryostat und supraleitendem Split-Coil-Magneten integriert. Der Aufbau dieses Systems sowie die in-situ-Präparation von magnetischen Dünnfilmspitzen und die Charakterisierung ihrer Abbildungseigenschaften werden ausführlich geschildert.

Im zweiten Teil werden die magnetischen Strukturen dünner Manganperowskitfilme, La_0.7Sr_0.3MnO₃ (LSMO) und La_0.7Ca_0.3MnO_3-delta (LCMO), auf einem LaAlO₃-Substrat feldabhängig in filmartigen Sequenzen untersucht. Beide Systeme zeigen einen kolossalen Magnetowiderstand und eine substratinduzierte senkrechte Anisotropie. Die Domänenstruktur von LSMO im thermisch demagnetisierten Zustand sowie nach Sättigung in einem parallelen Feld kann im Bild der schwachen Streifendomänen beschrieben werden. Feldabhängige Phänomene wie Hysterese, Nukleation und Wachstum sowie der Barkhausen-Effekt konnten mit der Methode der Differenzbilder eingehend untersucht werden. Im Falle von LCMO wurde der Schwerpunkt auf die Abhängigkeit der Domänenstruktur von der Filmdicke und dem Sauerstoffgehalt gelegt.

Der letzte Teil beschäftigt sich mit der temperatur- und feldabhängigen Abbildung des Flussliniengitters auf einem einkristallinen Hochtemperatur-Supraleiter (Bi₂Sr₂CaCu₂O₈). Übergänge zwischen fester, flüssiger und glasartiger Phase konnten beobachtet werden.

Abstract

In this work, the examination of magnetic structures on manganese perovskites and high temperature superconductors by means of magnetic force microscopy is described.

In the first part, a survey of basic aspects of magnetism and magnetic imaging is given. Magnetic force microscopy as an application of scanning force microscopy is introduced together with the underlying interactions and mechanisms of contrast formation. In order to study magnetic structures at low temperatures, in ultrahigh vacuum (UHV), and in magnetic fields, a scanning force microscope (Hamburg design) with interferometric detection and a xy table is implemented in an UHV system with liquid helium bath cryostat and a superconducting split-coil magnet. The set-up of this system as well as the in situ preparation of magnetic thin film tips and the characterization of their imaging performance is described.

In the second part, magnetic structures of thin films of manganese perovskites, La_0.7Sr_0.3MnO₃ (LSMO) and La_0.7Ca_0.3MnO_3-delta (LCMO), on a LaAlO3 substrate are investigated in field dependent, movie-like sequences. Both systems exhibit a colossal magnetoresistance and a substrate induced perpendicular anisotropy. The domain structure of LSMO in the thermally demagnetized state and after saturation in an in-plane field can be explained in terms of dense stripe domains. Field dependent phenomena like hysteresis, nucleation and growth as well as the Barkhausen effect are analyzed by means of difference images. For LCMO, the dependence on film thickness and oxygen content is emphasized.

The last part deals with the temperature and field dependent imaging of flux line lattices of a high temperature superconductor (Bi₂Sr₂CaCu₂O₈). Phase transitions between solid, glass and liquid are observed.