EBSD-Orientierungsmessungen an magnetischen Oxid-Schichten und Bulkproben
Final Report Abstract
Magnetische Oxidkeramiken sind für eine Vielzahl von industriellen Anwendungen interessant, jedoch weisen selbst die einfachsten Systeme (hier: Magnetit, Fe3O4) als Dünnschichten interessante Effekte auf, die bislang nicht vollständig erklärt werden konnten (erhöhte Magnetisierung, erhöhter Magnetowiderstand). Im Falle des Magnetit sind Anti- Phasengrenzen, die während des Kristallwachstums gebildet werden, als Ursache der speziellen Effekte der Dünnschichten diskutiert worden. Um hier ein besseres Verständnis dieser Eigenschaften zu erreichen, ist es notwendig, die Mikrostruktur in Verbindung mit einem magnetischen Verfahren bei höchster Auflösung zu untersuchen. In Zusammenarbeit mit dem Trinity College, Dublin (SFI, Institut for Nanoscience) sind EBSD-Analysen an einer Vielzahl von Proben geplant (verschiedene Annealingstufen, verschiedene Orientierungen, Substrate und Filmdicken), die zusammen mit MFM-Messungen ein vollständiges Bild ergeben und damit eine umfassende Erklärung der speziellen Eigenschaften der Dünnfilme ermöglichen sollen. Magnetit dient hierbei als Modellsystem für ähnliche magnetische Filme wie z.B. Ferrite, bei denen ähnliche Effekte auftreten. EBSD-Messungen wurden an einer großen Anzahl verschiedener Proben durchgeführt (verschiedene Dicken, Orientierungen); darüber hinaus wurde eine neue Art der EBSD-Messung an Probenquerschnitten durchgeführt, um so ein besseres Verständnis des Schichtwachstums zu erzielen. Im Projektverlauf ergaben sich noch zusätzliche Fragestellungen an die EBSD-Technik wie z.B. die Unterscheidung Magnetit / Maghemit und die Bearbeitbarkeit der Magnetitproben mit Ionenstrahlung (FIB), die einer Lösung bedurften. Außerdem wurden zum Vergleich mit den in Dublin hergestellten Magnetitfilmen auch solche anderer Hersteller (mit anderen Herstellungstechniken) einbezogen, um allgemeinere Aussagen machen zu können. Die Rolle der Anti-Phasengrenzen in Magnetitfilmen kann mittels EBSD-Analysen nicht in direkter Weise (Auflösung) beantwortet werden. Die verwendeten Proben wurden in allen Fällen vorab mittels TEM untersucht. Die Dichte der Anti-Phasengrenzen (APBs) hängt mit der Schichtdicke zusammen. Dabei haben die dünnsten Filme (4 – 6 nm Filmdicke) die größte APB-Dichte, die mit steigender Schichtdicke abnimmt. Sehr dünne Filme, die im Projektverlauf für die Gruppe in Dublin am interessantesten geworden sind, können mit EBSD aufgrund der notwendigen Eindringtiefe nicht mehr gemessen werden. Wir haben uns deshalb auf Schichtdicken zwischen 100 und 200 nm konzentriert, wobei auch einige dickere Filme (700 nm) untersucht worden sind, die sich besser zur Analyse des Probenquerschnitts eignen. Die charakteristischen Strukturen in den Magnetitfilmproben aus Dublin wurden nur auf (001)-orientierten Proben beobachtet; dort aber mit sehr deutlichen Effekten. Dies wurde bereits in mehreren Veröffentlichungen dargestellt. Proben mit (111)-Orientierung zeigen diese Strukturen jedoch nicht und sind völlig homogen, wie auch Proben anderer Hersteller, die z.B. mittels Laserablation hergestellt worden sind. Diese Proben zeigen allerdings auch nicht die besonderen magnetischen Effekte wie die Proben aus Dublin. Damit sind diese Strukturen typisch für das dortige Herstellungsverfahren, sind aber auch in magnetischen Untersuchungen mittels MFM deutlich zu erkennen. Um ein tieferes Verständnis für das Wachstum von Magnetit auf MgO-Substraten zu erzielen, wurde die EBSD-Untersuchung von Querschnitten von Filmproben eingeführt. Die mechanisch polierten Querschnitte zeigen jedoch deutlich auf, wie die charakteristischen Defekte in den Dublin-Magnetit-Proben zustande kommen. Die charakteristischen Defekte an der Oberfläche sind von Defekten im Substrat verursacht, die zu Missorientierungen des Filmwachstums führen. Auch diese Ergebnisse konnten bereits veröffentlicht werden. Zwischenzeitlich sind auch andere Gruppen zur EBSD-Untersuchung von Filmquerschnitten übergegangen, was aufzeigt, wie wichtig diese Resultate für die Herstellung von Filmen generell sind. Die Untersuchung von Magnetit auf anderen Substraten und anderer Herstellungstechnik führte zu wichtigen Erkenntnissen in Bezug auf die charakteristischen Defekte in den Dublin- Proben. Die Untersuchung von elektroplatierten Magnetit auf Cu-Substrat zeigte ein interessantes Verhalten polykristalliner Magnetitproben auf, wobei die Korngröße von den Depositionsbedingungen abhängt, die resultierenden Missorientierungen jedoch nicht. Außerdem konnten die EBSD-Ergebnisse dieser Proben mit einer Analyse von biogenem Magnetit (aus Bakterien) verglichen werden, wobei sich ein grundsätzlich ähnliches Verhalten ergab. Weitere EBSD-Messungen wurden an verschiedenen Ferritproben durchgeführt (dünne Filme und Bulkproben). Dünne Ferritfilme werden auf verschiedenen Substraten hergestellt, wobei Si als Substrat speziell für elektronische Anwendungen von großem Interesse ist. Außerdem werden solche Filme als magnetische Beschichtung auf Si-Cantilevern für MFM- Anwendungen hergestellt. Die hohe Qualität der Oberflächenpräparation ergibt hohe Werte für den IQ-Parameter, der von der EBSD-Software für jeden Bildpunkt bestimmt wird. Mit einer hohen Bildqualität ist es möglich, auch feine Unterschiede in den Kikuchi-Patterns zweifelsfrei zu identifizieren. Deshalb ist ein hoher IQ-Wert entscheidend, ob ein Mehrphasen-Scan durchgeführt werden kann oder nicht. Dies ist besonders für die oftmals notwendige Unterscheidung von Magnetit und Maghemit von großer Bedeutung. In Zusammenarbeit mit der AG Hartmann (Universität des Saarlandes, FR Experimentalphysik) wurden auch AFM-Topographie-Messungen der Probenoberflächen durchgeführt. Die für die EBSD-Untersuchungen notwendige Probenpräparation erlaubt auch AFM-Messungen ohne weitere Nachbearbeitung, so dass es möglich ist, Untersuchungen derselben Probenstelle mit beiden Verfahren durchzuführen. Dies ist besonders für in der Zukunft mögliche Doppelmessungen (EBSD + physikalisches Abbildungsverfahren bzw. ortsaufgelöste Messung) von großer Wichtigkeit. Für solche Messungen ist es notwendig, die entsprechende Probenstelle zu markieren. Hierzu wurden mittels FIB L-förmige Markierungen in die Proben eingebracht. Die Strahlendosis wurde dabei gezielt verändert, um so die für die Strukturierung idealen Parameter aufzufinden. Zukünftige Arbeiten umfassen die EBSD-Analyse von Ferrit- und Magnetitproben in Abhängigkeit von physikalischen Eigenschaften, um so weitere wichtige Fragen bei der technischen Probenherstellung aufklären zu können. Hierzu gehört die EBSD-Analyse von Ferritproben, die mittels nanotechnologischer Verfahren hergestellt worden sind, und von Proben, bei denen ein Magnetfeld zur Kornorientierung verwendet wurde. Ebenso ist es sinnvoll, die EBSD-Analysen auf die verschiedenen multiferroischen Materialien auszudehnen, da sich hier ähnliche grundsätzliche Fragestellungen ergeben. Die EBSD-Untersuchungen von Querschnitten und die Analyse derselben werden in Zukunft eine wichtige Rolle spielen, da die Aufklärung des Filmwachstums auf Oberflächen eine sehr generelle Frage in allen Forschungsbereichen darstellt.
Publications
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A. Koblischka-Veneva, M. R. Koblischka, J. Schmauch, U. Hartmann, and F. Mücklich
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A. Koblischka-Veneva, M. R. Koblischka, J. Schmauch, Y. Chen, and V. G. Harris
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A. Koblischka-Veneva, M.R. Koblischka
