Rasterelektronenmikroskopsäule für Ultrahochvakuum
Final Report Abstract
Die Rasterelektronenmikroskopie mit Polarisationsanalyse (SEMPA) ist eine hervorragende Technik zur hochauflösenden Abbildung von magnetischen Strukturen an der Oberfläche von Festkörpern. Kernstück einer solchen Anlage ist eine Elektronenmikroskopsäule, die im Ultrahochvakuum betrieben werden kann und die auch bei relativ hohen Strahlströmen von etwa 10 nA ein gutes laterales Auflösungsvermögen (< 10 nm) bietet. Eine solche Säule als Einzelkomponente wurde über diesen Großgeräteantrag beschafft und in eine vorhandene kundenspezifische Anlage integriert. SEMPA bietet insbesondere die Möglichkeit, zwei Komponenten des Magnetisierungsvektors gleichzeitig zu messen und damit einen direkten Zugang zu nicht-kollinearen Magnetisierungsverteilungen, wie sie z.B. in Domänenwänden oder magnetischen Skyrmionen vorkommen. Letztere werden durch die Dzyaloshinskii-Moriya Wechselwirkung (DMI) infolge der Symmetriebrechung an der Grenzfläche zwischen ultradünnen magnetischen und nichtmagnetischen Filmen hervorgerufen und stehen im Fokus des gegenwärtig auch wegen potentieller Anwendungen sehr aktiven Forschungsgebietes „Skyrmionics“. Wir haben die neu in Betrieb genommene Anlage zunächst eingesetzt um die Stärke des DMI in verschiedenen, möglichst idealen Grenzflächen zu messen. Solche Messungen sind besonders wichtig, da bisher nur sehr stark voneinander abweichende Ergebnisse aus ab-initio Rechnungen an idealen Systemen publiziert sind und eine experimentelle Untersuchung fehlt. Der DMI führt bei Domänenwänden zu einer Änderung des Domänenwandcharakters von Bloch-artig zu Néel-artig. Mittels SEMPA lässt sich der Winkel der magnetischen Momente in einer Domänenwand mit hoher Genauigkeit messen und so anhand einer einfachen mikromagnetischen Energiebetrachtung die Stärke des DMI bestimmen. Für Co/Pt(111) konnten wir wegen der Nähe zum Spinreorientierungsübergang nur einen möglichen Wertebereich angeben, während für Co/Ir(111) ein exakter Wert bestimmt werden konnte, der nur mit einer der publizierten Rechnungen verträglich ist. In einer weiteren Arbeit konnten wir zeigen, dass trotz der hohen Oberflächenempfindlichkeit des SEMPA auch die Untersuchung von abgedeckten Schichten wie gewachsen, das heißt ohne zusätzliche in-situ Behandlung möglich ist. Für eine Platin Schutzschicht von 1 nm Dicke ergibt sich zwar eine Signalreduktion auf 25 %, was einer von Spinzerfallslänge von 0,7 nm entspricht. Allerdings konnten wir zeigen, dass diese Schichtdicke gerade ausreicht, um die Oxidation einer darunterliegenden magnetischen Kobaltschicht zu unterbinden. Aufgrund der höheren Stabilität und Strahlintensität lassen sich so mit der neuen SEMPA Anlage trotzdem sehr detaillierte Aufnahmen erstellen, was vor allem für die zukünftige Untersuchung von Raumtemperatur-Skyrmionensystemen, wie z.B. Ir\Co\Pt einen entscheidenden Durchbruch darstellt. Gegenwärtig rüsten wir den selbstentwickelten Spindetektor an diesem SEMPA auf ein neues Arbeitsprinzip um. Wurde bisher von uns mit LEED-Streuung an einer sauberen W(100) Oberfläche bei 104,5 eV gearbeitet, haben Vorversuche gezeigt, dass eine deutlich höhere Nachweiseffizienz bei der Streuung an einer Gold Monolage auf Ir(100) zu erwarten ist. Dies ist verbunden mit einer sehr stark verlängerten Standzeit der edelmetallterminierten Oberfläche, bevor eine Neupräparation erforderlich wird. Somit wäre das auch ein starkes Argument für den kommerziellen Erfolg des SEMPA auf den Weltmarkt.
Publications
- „Scanning electron microscopy with polarization analysis for multilayered chiral spin textures“ Appl. Phys. Lett. 111, 132403, (2017)
J. Lucassen, F. Kloodt-Twesten, R. Frömter, H.P. Oepen, R.A. Duine, H.J.M. Swagten, B. Koopmans, and R. Lavrijsen
(See online at https://dx.doi.org/10.1063/1.4998535) - „SEMPA investigation of the Dzyaloshinskii- Moriya interaction in the single, ideally grown Co/Pt(111) interface“ Phys. Rev. B 96, 060410(R), (2017)
E.C. Corredor, S. Kuhrau, F. Kloodt-Twesten, R. Frömter, and H.P. Oepen
(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevB.96.060410) - „Cap-layer-dependent oxidation of ultrathin cobalt films and its effect on the magnetic contrast in scanning electron microscopy with polarization analysis“ Appl. Phys. Lett. 113, 172403, (2018)
S. Kuhrau, F. Kloodt-Twesten, Ch. Heyn, H.P. Oepen, and R. Frömter
(See online at https://doi.org/10.1063/1.5052305)
