Ion-induced surface modifications investigated with scanning probe microscopies

Abstract

The aim of this diploma thesis was the investigation of ion-induced surface modifications with scanning probe microscopies, namely atomic force microscopy and scanning tunneling microscopy.<br />Investigated effects were nano-hillock formation on insulator crystals (CaF2) as well as on lamellar materials (HOPG and mica), magnetic force microscopy was used to study ion-induced magnetic transitions in thin films of Fe grown on a Cu single crystal.<br /> The formation of nano-sized hillocks is linked to the potential energy of the incident ions and only recently a threshold for hillock production on CaF2 was found. Experiments were performed at very low kinetic energies to prove the dependence on potential energy and to corroborate previous results. HOPG and mica were irradiated to possibly discover shifts in potential energy threshold due to the lamellar structure of the materials. For all samples and charge states, dimensions of the found hillocks were determined in a defined scheme.<br />Furthermore the efficiency, i.e. the number of defects produced per incident ion, was calculated.<br /> The structural and magnetic properties of ultrathin Fe films grown by thermal deposition on Cu(100) substrate depend on film thickness. In a regime of 5 - 10 monolayers, the films show an out-of-plane surface ferromagnetism below room temperature because of a surface reconstruction and show an fcc (face-centered cubic) structure at room temperature with no magnetic moment. Ion bombardment influences the film structure, resulting in a transformation of the fcc phase to a bcc (body-centered cubic) phase, coupled with a change in magnetic phase.<br />Magnetic force microscopy allows for investigation of this effect on the nano-scale.<br />

Das Ziel dieser Diplomarbeit war die Untersuchung ionen-induzierter Oberflächenveränderungen mittels rastersondenmikroskopischer Methoden, nämlich Kraftmikroskopie und Tunnelmikroskopie. Untersucht wurde die Entstehung von Nanodefekten ("Hillocks") auf Isolatorkristallen (CaF2) sowie auf geschichteten Materialien (HOPG und Glimmer), magnetische Kraftmikroskopie wurde zur Untersuchung ionen-induzierter magnetischer Phasenübergänge in dünnen Fe Filmen herangezogen, die auf einem Cu-Einkristall aufgedampft wurden.<br /> Die Entstehung von Hillocks ist an die potentielle Energie der einfallenden Ionen gekoppelt und es wurde erst kürzlich eine Energieschwelle für die Erzeugung auf CaF2 entdeckt. Experimente wurden bei äußerst niedrigen kinetischen Energien durchgeführt, um die Abhängigkeit von der potentiellen Energie zu zeigen und vorangegangene Ergebnisse zu bestätigen. HOPG und Glimmer wurden bestrahlt um mögliche Verschiebungen der Energieschwelle zu finden, bedingt durch die Schichtstruktur der Materialien. Für alle Proben und Ladungszustände wurden die Dimensionen der gefundenen Hillocks nach einem festgelegten Schema ausgewertet. Zusätzlich wurde die Effizienz, die Anzahl der Defekte pro Ion, berechnet.<br /> Die strukturellen und magnetischen Eigenschaften von Eisenschichten, die auf Cu(100)-Substrat aufgedampft werden, hängen von ihrer Dicke ab.<br />Im Bereich von 5 - 10 Monolagen zeigen die Filme unterhalb der Raumtemperatur Oberflächen-Ferromagnetismus normal zur Oberfäche bedingt durch eine Rekonstruktion und bei Raumtemperatur eine fcc (face-centered cubic) Kristallstruktur ohne magnetisches Moment. Ionenbeschuss beeinflusst die Filmstruktur und führt zu einer Umwandlung der fcc Struktur zu einer bcc (body-centered cubic) Struktur, gekoppelt mit einer Änderung der magnetischen Phase. Magnetische Kraftmikroskopie ermöglicht eine Untersuchung dieses Effekts auf der Nanoskala.<br />