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| Magnetit (Fe3O4) gehört zu den Übergangsmetalloxiden, die vielversprechende Anwendungen in Mikroelektronik- und Mikrowellengeräten sowie empfindlichen Sensoren haben. Diese potentiellen Anwendungen haben ihren Ursprung in den stark korrelierten 3d Elektronen, die die unvollständig gefüllten 3d Orbitale besetzen. Fe3O4 hat eine inverse Spinell-Struktur, in der die Fe-Kationen zwei Valenz-Zustände haben: Fe2+- und Fe3+-Ionen. Die Fe2+-Ionen befinden sich nur auf den oktaedrischen (B) Plätzen, während die Fe3+-Ionen auf die tetraedrischen und oktaedrischen Plätze aufgeteilt sind.
Diese Arbeit zeigt eine Studie von Substitutions-, Dicke- und Verspannungseffekten in Fe3−xCoxO4-Verbindungen. Die Co-Substitution wurde sorgfältig abgestimmt, um Filme mit folgenden Stöchiometrien zu erhalten: Fe3−xCoxO4 mit x = 0; 0,1; 0,5 und 1. Die strukturellen, elektronischen und magnetischen Eigenschaften werden auf Basis umfangreicher Messungen diskutiert. Im Anschluss werden drei Schichtdicken (5 ML, 20ML und 20 nm) untersucht, um einen Eindruck von den anfänglichen Phasen des Wachstumsprozesses zu erhalten. Im letzten Teil wird auch der Effekt von verschiedenen Verspannungszuständen, hervorgerufen durch verschiedene Substrate, diskutiert. Alle Proben in dieser Arbeit wurden mit der Molekularstrahlepitaxie-Technik hergestellt.
Das Element Co als Substitutionsstoff ruft eine magnetische Anisotropie in Fe3−xCoxO4-Verbindungen hervor. Es verändert die strukturellen, elektronischen und magnetischen Eigenschaften von Fe3−xCoxO4-Filmen. Der Substitutionsgrad stellt die Leitfähigkeit von Fe3−xCoxO4-Filmen ein. Durch Substitution ändern sich der spezifische Widerstand und die Zustandsdichte nahe der Fermi-Energie von Fe3−xCoxO4-Filmen systematisch. Um die Fe3−xCoxO4-Filme zu untersuchen und deren Eigenschaften zu überprüfen, wurden verschiedene Techniken eingesetzt. Reflektive Hochenergie-Elektronenbeugung (RHEED, Reflection High-Energy Electron Diffraction), Niedrigenergie-Elektronenbeugung (LEED, Low-Energy Electron Diffraction) und Röntgenbeugung (XRD, X-Ray Diffraction) wurden benutzt, um die Struktur und die Filmqualität zu bestätigen. Das Substituieren von Co- Atomen in die Spinell-Struktur kann jedoch die Belegung der Plätze in der Struktur umverteilen. Das oxidierte Fe kann viele mögliche Valenzen haben, d.h. Fe2+ oder Fe3+, während das Co Valenzen von Co2+ oder Co3+ annehmen kann. Diese Ionen halten sich an zwei möglichen Plätzen auf, d.h. oktaedrisch oder tetraedrisch. Um diese Punkte zu untersuchen, wurde Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS, X-ray Photoelectron Spectroscopy) zur Überprüfung der chemischen Zusammensetzung und der elektronischen Struktur der Fe3−xCoxO4-Filme benutzt. Zusätzlich wurde Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS, X-ray Absorption Spectroscopy) an diesem System eingesetzt, weil diese Methode Platz- und Symmetrie-spezifisch ist. Beide Ergebnisse bestätigen, daß die Fe2+-Ionen auf den Oktaeder-Plätzen durch die Co2+-Ionen ersetzt werden, die auch auf den Oktaeder-Plätzen sitzen. Schließlich wurde SQUID Magnetometrie benutzt, um die magnetischen Volumen- Eigenschaften zu bestimmen und die magnetische Vorzugsrichtung der Fe3−xCoxO4-Filme anzugeben. Es bestätigt, daß die magnetische Vorzugsrichtung in substituierten Fe3O4-Filmen sich von einer Richtung in der Ebene (in reinem Fe3O4) zu einer Richtung außerhalb der Ebene dreht.
Die Schichtdicken-abhängige Untersuchung von Fe3O4- und Fe2CoO4-Filmen deutet darauf hin, dass beide Ferrite einen generischen Wachstums-Mechanismus haben. Zu Beginn des Wachstums werden hauptsächlich die Fe-Ionen auf den Oktaeder-Plätzen bevölkert, während die auf den Tetraeder-Plätzen nahezu leer sind. Bei fortdauerndem Filmwachstum nimmt die Bevölkerung mit Fe-Ionen auf den Tetraeder-Plätzen schrittweise zu, während sie auf den Oktaeder-Plätzen schrittweise abnimmt bis sie ein ausgeglichenes Verhältnis erreicht.
Die Fe2CoO4-Filme wurden epitaktisch gewachsen auf drei verschiedenen Substraten, MgO, MgAl2O4 und SrTiO3 als Modell-System für Fe2CoO4 unter epitaktischer Spannung. Theoretisch, aufgrund der Gitter-Fehlanpassung zwischen Film und Substrat, verursacht das MgO-Substrat Zugspannung, während die anderen zwei Substrate (SrTiO3 und MgAl2O4) Stauchspannung verursachen. Die Strukturuntersuchungen aus RHEED-, LEED und XRD-Messungen zeigten, dass ein Fe2CoO4-Film kohärent auf MgO- und MgAl2O4-Substraten wächst, aber das Wachstum auf SrTiO3 entspannt verläuft. Der Fe2CoO4-Film konnte durch die große Gitter-Fehlanpassung nicht der Spannung folgen, die durch das SrTiO3 hervorgerufen wird. Infolgedessen erfuhr der Fe2CoO4-Film auf einen SrTiO3-Substrat Zugspannung, obwohl die Gitter-Fehlanpassung auf einen Vorzug für Stauchspannung hindeutet. SQUID Ergebnisse zeigten, dass ein verspannter Fe2CoO4-Film eine magnetische Vorzugsrichtung außerhalb der Ebene hat, während ein komprimierter Fe2CoO4-Film eine magnetische Vorzugsrichtung in der Ebene hat. Diese Erkenntnis wird auch von XLD-Ergebnissen unterstützt. Die XLD-Ergebnisse erklären auch den Effekt von Spannung auf die orbitale Besetzung in Co2+-Kationen. Die Co2+-Kationen in verspannten Fe2CoO4-Filmen haben ein orbitales Moment und Spin-Moment außerhalb der Ebene. Umgekehrtes wurde für Filme beobachtet, die mit Stauchspannung gewachsen sind. Diese Erkenntnisse geben eine neue Perspektive auf das magnetische Anisotropie-Verhalten, das in Fe2CoO4-Filmen durch Substrat-Spannung hervorgerufen wird. | German |
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