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Arbeitsgebiete und Forschungsprojekte des ehemaligen Lehrstuhls



Im Folgenden wird über den Zeitraum bis zur Emeritierung im Jahr 2001 berichtet. Hauptgegenstand der langjährigen Arbeiten war die

Physik dünner Schichten und von Nanostrukturen


Dünnen Schichten gilt nicht nur großes Anwendungsinteresse, aus welchem Grund sich eine enge Zusammenarbeit mit Forschungslabors der Industrie anbot, sondern sie sind auch Forschungsgegenstand grundsätzlicher Untersuchungen der Festkörperphysik. Der Einfluss der Probenoberfläche auf die Eigenschaften der Gesamtprobe kommt in der Untersuchung dünner Schichten zum Ausdruck. Die Eigenschaften der dünnen Schichten werden auch geprägt von ihrer inneren Struktur. Gerade dieser Abhängigkeit galt das besondere Interesse der Untersuchungen.

Struktur

  • Schichtgeometrie
  • kristalliner Zustand: einkristallin, polykristallin, amorph
  • Elementzusammensetzung

Untersuchungsmethoden

  • Elektronenmikroskopie
    • Transmissionsabbildung
    • Elektronenbeugung
    • Abbildung von Oberflächenabdrucken
    • Abbildung von Querschnittspräparaten
  • Rastertunnelmikroskopie von Oberflächen
  • Röntgenbeugung
  • Elementzusammensetzung
    • Augerspektroskopie
    • Auger-Tiefenprofil-Analyse

Polykristalline Au-Schichten


Transmissionsabbildung

Elektronenbeugungsbild

Rastertunnelmikroskopie der Oberfläche


Magnetische Eigenschaften dünner weichmagnetischer Schichten

Eine in früherer Literatur beschriebene Abnahme der Sättigungsmagnetisierung mit abnehmender Schichtdicke konnte nicht bestätigt werden. Vergleiche der Messergebnisse unmittelbar nach Herstellung im Vakuum mit den an Luft gewonnenen Ergebnissen zeigten, dass die scheinbare Abnahme der Sättigungsmagnetisierung durch die Oxydation der Schichtoberfläche zu erklären ist.

Die Ummagnetisierung idealer weichmagnetischer Schichten mit homogener einachsiger Anisotropie wurde durch die Theorie von Stoner und Wohlfarth (Phil. Trans. Roy. Soc. A240 599 (1984)) beschrieben. Die berühmte Stoner - Wohlfarth - Asteroide, welche die kritischen Magnetfelder wiedergibt, bei denen spontane Änderungen der Magnetisierungsrichtung eintreten, wurde zum Kennzeichen der Forschung an dünnen Magnetschichten mit einachsiger Anisotropie.

Stoner - Wohlfarth



Abb. 1: Asteroide

Abb. 2: Ummagnetisierung in a) leichter und b) schwerer Richtung


Reale Schichten


In realen Schichten tritt zur idealen einachsigen Anisotropie eine Überlagerung mit lokalen Anisotropien, wie die Kristallanisotropie der regellos orientierten Kristallite in polykristallinen Schichten oder durch Gitterfehler in Einkristallen erzeugte Anisotropien. Die lokalen Anisotropien bewirken die Ausbildung des Magnetisierungsripples, welches in der elektronenmikroskopischen Lorentzmikroskopie durch langgestreckte Kontraste senkrecht zur mittleren Magnetisierungsrichtung sichtbar wird. Die lokalen Magnetisierungsrichtungen schwanken um die mittlere Richtung und erzeugen innere magnetische Streufelder.
Die Stärke des inneren Streufeldes hängt von der Größe der lokalen Anisotropien und von der Richtung des angelegten Magnetfeldes ab. Bei einer richtungsabhängigen kritischen Stärke des angelegten Feldes, dem Blockierungsfeld, wird das Ripple blockiert. Die Magnetisierung der Schicht bricht in Domänen auf. Die weitere Ummagnetisierung geschieht durch hysteresebehaftete Wandverschiebungen.


Abb. 3: Magnetisierungsripple

Abb. 4: Stoner-Wohlfarth (a), Blockierungskurve (b)

Abb. 5: Domänenaufspaltung

Abb. 6: Magnetisierungskurve einer realen Schicht


Gemäß der Ripple-Theorie ist in realen Schichten die Blockierungskurve anstelle der Astroide für die Ummagnetisierung zu beachten. Die Blockierungskurve lagert sich stets vor die Astroide und verhindert die spontane Ummagnetisierung. Das Ripple-Streufeld dominiert die Ummagnetisierung.

Die Ripple-Theorie führt zu quantitativen Aussagen über
  • Wellenlänge der Magnetisierungsschwankungen
  • Feldabhängigkeit der Suszeptibilität
  • Domänenaufspaltung, Domänenbreite, Aufspaltungswinkel
  • strukturabhängige Koerzitivkraft


Weitere Untersuchungen an ferromagnetischen Schichten

  • Magnetische Anisotropien (Torque Magnetometer)
  • Magnetisierungskurven (vibrating sample magnetometer)
  • Lorentz- und Kerr - Mikroskopie von magnetischen Bereichen in dünnen Schichten und Nanostrukturen
  • magnetooptische Schichten mit senkrechter Anisotropie
  • Austauschkopplung in Lagenschichten

Elektrische und elektronische Eigenschaften von dünnen Schichten

  • Untersuchungen zur Dickenabhängigkeit der Leitfähigkeit metallischer Schichten
  • Korngrenzenstreuung und Oberflächenstreuung der Ladungsträger
  • geometriebedingte Aufspaltung des Leitungsbandes (Quantum Size Effect QSE)
  • Riesenmagnetwiderstand (Giant Magnetoresistance GMR) in austauschgekoppelten Schichtlagen
  • Thermoelektrische Eigenschaften von Schichtsystemen

Optische Eigenschaften transparenter Schichten

  • Transmission und Reflexion
  • Vergütungsschichten
  • transparente ITO - Schichten

Untersuchungen außerhalb der Dünnschichtprojekte

  • Separation magnetischer Teilchen aus wässrigen Suspensionen durch starke Magnetfeldgradienten (HGMS)
  • verbesserte Tiefkühltaschen durch Schichtung von thermischen Isolatoren und wärmeleitenden Folien


An diesen Forschungen wirkten neben Diplomanden und Doktoranden des Lehrstuhls viele Gastwissenschaftler aus China, Frankreich, Großbritannien, Polen, Taiwan, UdSSR und USA während ihres Gastaufenthaltes am Lehrstuhl mit.
 
Letzte Änderung: 29.07.2014 von Webmaster