Obwohl das Wachstum ultradünner Metallschichten im Allgemeinen als ein ausgereiftes Teilgebiet der Oberflächenwissenschaft gilt, sind immer noch Überraschungen möglich. Das war etwa um die Jahrtausendwende der Fall, als wir entdeckten, dass ferromagnetische Eisenfilme, von denen man annahm, dass sie eine kubisch-flächenzentrierte (face centered cubic, fcc) Struktur haben, in Wirklichkeit kubisch-raumzentriert sind (body-centered cubic, bcc). Diese Entdeckung spornte viele neue Aktivitäten an! Auch die jahrzehntealte Technik der gepulsten Laserabscheidung erwies sich als höchst interessant.

A. Biedermann, R. Tscheließnig, M. Schmid, P. Varga
Crystallographic structure of ultrathin Fe films on Cu(100)
Physical Review Letters 87, 086103 (2001); doi: 10.1103/PhysRevLett.87.086103, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster

Schreiben magnetischer Nanostrukturen durch Ionenbestrahlung

Im Zeitalter der Nanotechnologie kann man sich leicht vorstellen, dass eine magnetische Strukturen im Submikrometerbereich von großer Bedeutung sind. Die Herstellung dieser Strukturen durch konventionelle Lithographie ist ein komplizierter und damit kostspieliger Prozess. Die Bestrahlung mit einem fokussierten Ionenstrahl oder einem Ionenstrahl-Strukturierungssystem (entwickelt bei der IMS Nanofabrication AG) bietet eine Alternative, bei der solche Strukturen in nur einem Schritt erzeugt werden können.

Auf Cu(100) gewachsene Eisenschichten befinden sich in einem metastabilen, nichtmagnetischen fcc-Zustand mit einer Dicke von etwa 1–2 nm, oder mehr, wenn geeignete Additive verwendet werden. Es war eine der vielen cleveren Ideen von Albert Biedermann, damals Postdoc in unserer Gruppe, die Umwandlung in die stabile ferromagnetischen bcc-Struktur durch Ionenbestrahlung zu initiieren. Wir haben dies durch magneto-optische Kerr-Effekt (MOKE)-Messungen verifiziert. Mit einem Ionenstrahl-Lithographiesystem am IMS konnten wir dieses Phänomen ausnutzen, um magnetische Strukturen mit einer Auflösung von ≈100 nm zu schreiben. Diese Auflösung ist wahrscheinlich durch die Auflösung des zur Abbildung verwendeten Magnetkraftmikroskops sowie durch den nicht perfekten Fokus auf unserer vergleichsweise rauen Probe begrenzt, und könnte noch erheblich verbessert werden.

Eine neuere Zusammenarbeit mit unseren Freunden bei CEITEC in Brünn (CZ) war der Schlüssel zu einer noch wichtigeren Erkenntnis: Durch eine richtig gewählte Art der Bestrahlung der Probe mit einem fokussierten Ionenstrahl (FIB) ist es möglich, die magnetische Anisotropie dieser Strukturen zu kontrollieren! Dies ebnet den Weg zu Anwendungen der Strukturen als Wellenleiter für Spinwellen (Magnonen).

• W. Rupp, A. Biedermann, B. Kamenik, R. Ritter, Ch. Klein, E. Platzgummer, M. Schmid, P. Varga
  Ion-beam induced fcc-bcc transition in ultrathin Fe films for ferromagnetic patterning
  Applied Physics Letters 93, 063102 (2008); doi: 10.1063/1.2969795

• S. Shah Zaman, P. Dvořák, R. Ritter, A. Buchsbaum, D. Stickler, H. P. Oepen, M. Schmid, P. Varga
  In-situ magnetic nano-patterning of Fe films grown on Cu(100)
  Journal of Applied Physics 110, 024309 (2011); doi: 10.1063/1.3609078

• M. Urbánek, L. Flajšman, V. Křižáková, J. Gloss, M. Horký, M. Schmid, P. Varga
  Focused ion beam direct writing of magnetic patterns with controlled structural and magnetic properties
  APL Materials 6, 060701 (2018); doi: 10.1063/1.5029367

• L. Flajšman, K. Wagner, M. Vaňatka, J. Gloss, V. Křižáková, M. Schmid, H. Schultheiss, M. Urbánek
  Zero-field propagation of spin waves in waveguides prepared by focused ion beam direct writing
  Physical Review B 101, 014436 (2020); doi: 10.1103/PhysRevB.101.014436

Gepulste Laserabscheidung - Wachstum durch energetische Teilchen

Die gepulste Laserabscheidung (PLD) ist ein einfaches, aber leistungsfähiges Verfahren zum Aufwachsen dünner Schichten aus einer Vielzahl von Materialien. Nach dem Erfolg der PLD-Abscheidung von Hochtemperatursupraleitern in den 1980er Jahren wurde dieses Verfahren in der angewandten Physik intensiv untersucht. Es ist seit mehr als zwei Jahrzehnten bekannt, dass die durch kurze Laserpulse abgetragenen Teilchen eine hohe kinetische Energie haben (Dutzende bis Hunderte von Elektronenvolt); wenn sie auf das Substrat auftreffen, führt dies zu Unterschieden in der Morphologie und Struktur der Schichten im Vergleich zur thermischen Verdampfung. Dennoch waren die physikalischen Grundlagen des Ablationsprozesses durch kurze Laserpulse und die Vorgänge auf dem Substrat nur unzureichend verstanden, und wir konnten durch unsere hochauflösenden STM-Studien viel Licht in dieses Thema bringen.

Wir haben ein Flugzeitspektrometer zur Bestimmung der Teilchenenergie mit STM kombiniert, um die Oberflächenstruktur am Substrat zu untersuchen. Es stellte sich heraus, dass moderate Teilchenenergien für die Implantation der abgetragenen Teilchen in das Substrat ausreichen, während höhere kinetische Energien für die Bildung zusätzlicher Kerne erforderlich sind, die die Inseldichte verändern. Solange diese zusätzlichen Kerne nicht gebildet werden, stimmen unsere Ergebnisse gut mit den Berechnungen der klassischen Nukleationstheorie überein, wenn die Zeitstruktur der gepulsten Abscheidung berücksichtigt wird.

• M. Schmid, C. Lenauer, A. Buchsbaum, F. Wimmer, G. Rauchbauer, P. Scheiber, G. Betz, P. Varga
  High island densities in pulsed laser deposition: Causes and implications
  Physical Review Letters 103, 076101 (2009); doi: 10.1103/PhysRevLett.103.076101