Mechanische Spannung bei Heteroepitaxie: Einfluss auf Struktur und Magnetismus

Abstract

In dieser Arbeit wurde die Methode der Biegebalkentechnik und die Rastertunnelmikroskopie benutzt, um den Einfluss mechanischer Spannungen auf Wachstum und magnetoelastische Kopplung ausgewählter epitaktischer Dünnschichtsysteme zu untersuchen. Die auf Si(001)-Substraten bei 900 K deponierten SixGe1-x-Legierungsfilme mit Si-Konzentrationen <20% wachsen im wohlbekannten Stranski-Krastanow-Modus. Die Filmspannung der anfänglichen Benetzungsschicht ist durch den hohen Misfit geprägt und wird teilweise relaxiert, wenn im weiteren Wachstumsverlauf 3D-Inselwachstum einsetzt. In krassem Gegensatz dazu wird für Si-Konzentrationen >20% ein Wechsel im Spannungsverhalten beobachtet, der auf ein reines 3D-Inselwachstum ohne Benetzungsschicht schließen lässt. Rastertunnelmikroskopieuntersuchungen dazu zeigen schon bei mittleren Filmdicken von 1 nm regelmäßige Inseln mit einer schmalen Größenverteilung. Zur Erklärung dieser überraschenden Änderung des Wachstumsmodus wird der Einfluss kinetischer Parameter diskutiert. Weiterhin werden erstmals Spannungsmessungen von Fe/GaAs(001) präsentiert. Das Verhalten der Filmspannung bei 450 K weist (in Übereinstimmung mit anderen Arbeiten) auf eine, wenige nm dicke Interdiffusionsschicht zwischen Film und Substrat hin. Diese Interdiffusion ist bei 300 K lediglich um etwa 30% reduziert und kann damit auf keinen Fall vernachlässigt werden. Anhand von auf verschiedenen Substraten [MgO(001), geringverspannte Cr(001)-Pufferschicht, GaAs(001)] gewachsener Fe-Filme wird erstmals ein detailliertes Bild der Spannungsabhängigkeit der magnetoelastischen Kopplungskonstanten B1 und B2 von Fe im Schichtdickenbereich von 2-100 nm vorgestellt. Während die Kopplungskonstanten spannungsfreier Fe(001)-Filme Volumenverhalten zeigen, treten deutliche Abweichungen bereits bei kleinen Spannungen von etwa 0,1 GPa auf; bei einigen GPa wechselt sogar das Vorzeichen. Der Wert von B2 nimmt linear mit der Filmspannung bis 6 GPa ab, bei B1 kommt es nach einem anfänglichen linearen Verlauf ab 2-3 GPa zu einer Sättigung. Magnetisierung und magnetische Anisotropie hingegen verhalten sich im gesamten untersuchten Schichtdickenbereich wie im Volumen.

In this thesis a cantilever beam method and scanning tunneling microscopy are employed to investigate the influence of stress on the morphology and magnetoelastic coupling of various epitaxial thin film systems. SixGe1-x-alloy films with a Si content <20% deposited onto Si(001) substrates at 900 K grow by the well established Stranski-Krastanow growth mode. The stress of the initial layer by layer regime is dominated by high misfit strain, which is partially relieved when 3D islanding sets in. As indicated by striking differences in the stress evolution the film growth changes to a pure 3D island mode (without wetting layer!) at Si concentrations >20%. The 3D island mode is confirmed by in situ scanning tunneling microscopy investigations, which reveal small islands with narrow size distribution already at a film thickness of 1 nm. To describe this surprising switching of growth mode a kinetic growth model is proposed. Furthermore, the first stress measurements of Fe/GaAs(001) are presented. In accordance with previous studies a few nm thick interdiffusion layer is indicated by the stress evolution at 450 K. Though reduced by 30%, interdiffusion cannot be neglected even at 300 K. The growth of Fe on different substrates [MgO(001), low-stress Cr(001) buffer- layers, GaAs(001)] provides a general picture of the stress dependence of the magnetoelastic coupling B1 and B2 in the thickness range of 2-100 nm. Both constants exhibit a strong dependence on the film stress above 0.1 GPa and even change sign at stress values in the GPa range. Whereas B2 decreases linearly with film stress up to 6 GPa, B1 saturates after a steep linear increase at 2-3 GPa. Stress-free Fe(001) films exhibit bulk behavior. Magnetization and magnetic anisotropy, on the contrary, are bulk-like in the entire thickness range independent of the stress.