Metastable iron-nickel thin films

Abstract

Magnetische Nanostrukturen werden sowohl in Anwendungen für strukturierte Speichermedien und Sensoren als auch für die Grundlagenforschung eingesetzt, beispielsweise in der Magnonik. Die Herstellung magnetischer Nanostrukturen durch einen fokussierten Ionenstrahl (FIB) stellt eine Alternative zur üblicherweise verwendeten Lithographie dar. Metastabile Schichten sind ein vielversprechendes System für die FIB-induzierte Strukturierung im Mikrometerund Submikrometerbereich zur Verwendung in, z.B., Magnonenkristallen und Wellenleitern. Ein Beispiel für die metastabilen Schichten sind dünne Filme aus Eisen und Nickel, da sie in der kubisch-flächenzentrierten Struktur (fcc) epitaktisch wachsen können und paramagnetisch (PM) sind. Die metastabilen Filme durchlaufen bei Ionenbestrahlung eine strukturelle (fcc kubisch-raumzentriert) und magnetische (PM ferromagnetisch) Transformation. Das Wachstum der metastabilen Fe78Ni22-Filme wurde bereits auf Cu(100)-Einkristallen gezeigt. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass es möglich ist, mithilfe eines fokussierten Ionenstrahls nicht nur die magnetische Sättigung sondern auch die Anisotropie der Fe78Ni22 /Cu(100) Schichten zu bestimmen. Die industrielle Anwendung erfordert ein kostengünstigeres Substrat im Vergleich zu den Cu(100)-Einkristallen und die Grundlagenforschung würde von metastabilen Schichten auf einem isolierenden oder einem transparenten Substrat profitieren. Es gibt mehrere alternative Substrate mit geeigneten Eigenschaften, die das epitaktische Wachstum der metastabilen Filme unterstützen. Wir haben folgende drei Substrate ausgewählt: Si(100), C(100) und SrTiO3(100). Si(100) wird üblicherweise in der Elektronikindustrie verwendet, und daher ist die Präparation dieser Oberfläche gut bekannt. Um die Gitterfehlanpassung zwischen Si(100) und Fe78Ni22 zu vermeiden, ist es möglich, eine Cu(100)-Epitaxieschicht auf einer Wasserstoff-terminierten Si(100) [H-Si(100)] Oberfläche aufzuwachsen. H-Si(100) kann nicht nur durch konventionelles HF-Ätzen hergestellt werden, sondern auch in Ultrahochvakuum (UHV) durch kurzes Heizen auf 1200 C und darauf folgende Bedeckung mit Wasserstoff. Zu diesem Zweck wurden eine Quelle für atomaren Wasserstoff und eine Heizstation für Si gebaut. Dadurch wurde die Präparation der H-Si Oberfläche in UHV ermöglicht. Das Wachstum und die Umwandlung von metastabilen dünnen Filmen aus Fe78Ni22 /Cu/Si(100) werden beschrieben. C(100) ist nicht leitend, es ist transparent und hat nahezu die selbe Gitterkonstante wie fcc Fe78Ni22 (100). Das Wachstum von epitaktischen fcc-Fe-Filmen mit einer durchschnittlichen Dicke von 4 Monolagen auf C(100) wurde bereits beschrieben. Diese Arbeit beschriebt das Wachstum dicker fcc Fe78Ni22(100)-Schichten auf C(100) und ihre Umwandlung zu ferromagnetischen bcc-Strukturen durch Ionenbeschuss. Diese Filme sind jedoch nicht kontinuierlich, sondern bestehen aus separaten Inseln. Wir zeigen auch, dass es möglich ist, die C(100) Oberfläche in UHV nach Abtragen der Fe78Ni22 Filme durch Zerstäuben und Ätzen in atomarem Wasserstoff zu reinigen. Auger-Elektronenspektroskopie und Niedrigenergie-Elektronenbeugung charakterisierten die Zusammensetzung und Struktur der Substrate und der abgeschiedenen Fe78Ni22 -Filme auf Cu(100), Cu/Si(100) und C(100). Die Fe78Ni22 -Filme auf C(100) wurden auch durch Rastertunnelmikroskopie untersucht. Wir haben die Eigenschaften der Fe78Ni22 -Filme durch den magnetooptischen Kerr-Effekt sowohl vor als auch nach der Ionenstrahlbestrahlung untersucht und zeigen die Abhängigkeit der Magnetisierung von der Ionendosis. Ähnlich wie bei H-Si wurde das Wachstum einer kontinuierlichen Cu(100)-Pufferschicht durch gepulste Laserabscheidung auf SrTiO3(100) in der Literatur beschrieben. SrTiO3 ist ein Prototyp eines Perowskitoxids mit einem kubischen Gitter bei Raumtemperatur. Es war jedoch nicht möglich, eine geordnete Cu(100)-Pufferschicht zu erhalten. Die Möglichkeit, ein Standardsubstrat wie Si(100) zu verwenden, ist ein wesentlicher Schritt für Anwendungen beim Rapid-Prototyping von magnetischen Metamaterialien (unter Verwendung von FIB) und für die Massenproduktion (z. B. durch Ionenbestrahlung durch eine Maske). Das Wachstum der metastabilen Filme auf C(100) ermöglicht die Verwendung neuer Techniken (z. B. magnetische Transmissionsröntgenmikroskopie) zur Charakterisierung der magnetischen Nanostrukturen.

Magnetic nanostructures are used both in applications for patterned media and sensors as well as for fundamental research in, for example, magnonics. Fabrication of magnetic nanostructures by a focused ion beam (FIB) presents an alternative to the commonly used lithography. Metastable films are a promising system for FIB-induced patterning in the micrometer and sub-micrometer scale for the use in, e.g., magnon crystals and waveguides. An example of the metastable films are the iron-nickel thin films because they can grow epitaxially in the face-centered-cubic (fcc) structure and are paramagnetic (PM). The metastable films undergo a structural (fcc body-centered-cubic) and magnetic (PM ferromagnetic) transformation upon ion-beam irradiation. The growth of the metastable Fe78Ni22 films has already been shown on Cu(100) single crystals. We show in this work that the ion-beam-induced transformation makes it possible to tune not only the magnetic saturation, but also the anisotropy of the Fe78Ni22/Cu(100) with the focused ion beam (FIB). The applications call for a cheaper substrate and fundamental research would benefit from growing the metastable films on an insulating or a transparent substrate. There are multiple alternative substrates that have suitable properties to support the epitaxial growth of the metastable films, of which we chose three: Si(100), C(100), and SrTiO3(100). Si(100) is a material commonly used in the electronics industry, and therefore its preparation is well known. To avoid a significant lattice mismatch between Si(100) and Fe78Ni22, it is possible to grow a Cu(100) epitaxial buffer layer on a hydrogen-terminated Si(100) [H-Si(100)] surface. H-Si(100) can be prepared not only by the conventional HF etching but also in Ultrahigh vacuum (UHV) by flashing (brief heating to 1200 C) and a consequent hydrogen termination. For this purpose a source for atomic hydrogen and a heating stage for the Si-flashing were built, which facilitated the UHV method of H-Si preparation. The growth and transformation of metastable thin films of Fe78Ni22/Cu/Si(100) are presented. C(100) is non-conductive, transparent and it has a similar lattice mismatch to Fe78Ni22 as Cu(100), and the growth of epitaxial fcc Fe films with an average thickness of 4 monolayers has already been shown on it. We show that it is possible to clean the C(100) in UHV after deposition of the metastable films by sputtering and etching in atomic hydrogen and that it is possible to grow and transform the metastable films on C(100). These films are not continuous, however, but consist of separate islands. Auger electron spectroscopy and low-energy electron diffraction characterized the composition and structure of the substrates and of the as-deposited Fe78Ni22 films on Cu(100), Cu/Si(100) and C(100). The Fe78Ni22 films on C(100) were also investigated by scanning tunnelling microscopy. We investigated the properties of the Fe78Ni22 films by magneto-optical Kerr effect both prior and after the ion-beam irradiation and we show the dependence of the magnetization on the ion dose. Similarly to H-Si, the growth of a continuous Cu(100) buffer layer by pulsed laser deposition has already been reported on the SrTiO3(100), which is a prototype perovskite oxide with a cubic lattice at room temperature. It was not possible, however, to obtain a Cu(100) buffer layer on which the metastable Fe78Ni22 films would grow. The possibility to use a standard substrate such as the Si(100) is an essential step towards applications in rapid prototyping of magnetic metamaterials (by using FIB) and in suitability for mass production (e.g., by ion irradiation through a mask). The growth of the metastable films on diamond enables the use of new techniques (e.g. magnetic transmission x-ray microscopy) for the characterization of the magnetic nanostructures.