Determination of the interface structures of the multilayer system MgO/Fe/GaAs(001)

Abstract

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Untersuchung der Grenzflächen des Spintronik Mehrschichtsystems MgO/Fe/GaAs(001). Der magnetische Tunnelwiderstand (TMR) und der Riesenmagnetowiderstand (GMR), die in Spintronikbauelementen Anwendung finden, treten an den Grenzflächen auf und werden durch die chemischen und strukturellen Eigenschaften beeinflusst. Die Photoelektronenspektroskopie eignet sich besonders zur Analyse von dünnen Filmen und Grenzstrukturen von Mehrschichtsystemen. Sie ermöglicht eine genaue chemische Untersuchung über hochaufgelöste Spektren der Rumpfniveaus einzelner Elemente. Die spektralen Komponenten in einem Signal beinhalten Informationen über die lokalen Bindungen, z.B. ob der Emitter in einen Oberflächen-Dimer oder in einer tiefer liegende Schicht gebunden ist. Die Signalintensität variiert als Funktion von Polar- und Azimutwinkel. Ursächlich hierfür sind Beugungs- und Streuungseffekte der emittierten Elektronenwelle an benachbarten Atomen. Die Kombination aus hochaufgelösten Spektren und Beugungsbildern erlaubt eine detaillierte Analyse jeder einzelnen Schicht. Das MgO/Fe/GaAs(001)-System wurde in-situ präpariert und sukzessive unter Verwendung von Synchrotronstrahlung der Strahllinie 11 des Speicherings DELTA untersucht. Dabei wurde die Notwendigkeit einer GaAs Oberflächenrekonstruktion für epitaktisches Wachstum des Fe-Films nachgewiesen. Die Spektren der Fe/GaAs(4x2) und Fe/GaAs(001) Systeme weisen eindeutige chemische Bindungen auf. Die Beugungsbilder zeigen ein epitaktisches Wachstum von Fe auf GaAs(4x2) in einer pyramidalen Struktur, die durch das gleichzeitige Insel- und Lagenwachstum verursacht wird. Das Eisen reichert sich auf einer gereinigten GaAs(001) Oberfläche an, allerdings ist die Austausch-Diffusion so stark, dass der Fe-Film komplett amorph ist. Die Ga-reiche (4x2)-Rekonstruktion verhindert eine Diffusion und gewährleistet ein epitaktisches Wachstum der Fe-Schicht. Das MgO wurde auf der wohlgeordneten Fe(001)-Oberfläche aufgebracht und ist dort epitaktisch aufgewachsen. Die Fe-Oberfläche ist aufgrund der MgO-Anlagerung oxidiert, was sich in einer zwei Lagen dünnen FeO-Schicht zeigt. Der MgO-Film liegt in einer Steinsalzstruktur vor, bildet aber einen Gitterfehler in Form von leicht verschobenen Mg-Atomen aus. Diese Verschiebung ist sowohl für den dünnen als auch für einen dickeren Film vorhanden. Dies könnte durch das Substrat induziert sein, da die MgO/Fe Grenzfläche deutlich durch die Fe/GaAs Grenzstruktur beeinflusst wird. Chemische und strukturelle Veränderungen beeinflussen die magnetischen Eigenschaften des Mehrlagensystems. Daher wurden diese durch Magneto-optische Messung mittels T-MOKE untersucht. Die Spektren zeigen eine starke Reaktion des Eisens auf das externe magnetische Feld. Die Analyse der T-MOKE Daten ergab weder magnetischen Eigenschaften des GaAs-Substrats noch der dünne MgO-Schicht. Eine zusätzliche Hysterese Messung belegt die exzellenten ferromagnetischen Eigenschaften der Fe Zwischenschicht trotz der chemischen und strukturellen Veränderungen.

In this thesis, the interfaces of the spintronics multilayer system MgO/Fe/GaAs(001) are determined. The Tunnel Magneto Resistance (TMR) and Giant Magneto Resistance (GMR) effects used for spintronics devices arise at the interfaces of the junctions and are influenced by the chemical and structural properties. A very suitable tool for investigating thin-films and interfaces of multilayers is photoelectron spectroscopy. It allows a detailed chemical investigation by high-resolution core level spectra of each element. The spectral components contained in the signals provide information of the local bonding, e.g. whether the emitter is located as a part of a dimer at the surface or located within a bonding beneath the surface. The intensity of the signals varies as a function of polar- and azimuth-angle. This is a result of diffraction and scattering events of the out-going electron wave at neighboring atoms around the emitter atom. Therefore, photoelectron diffraction allows a structure analysis of the surface. The combination of high-resolution spectra and diffraction patterns enable a detailed analysis of each individual layer. The MgO/Fe/GaAs(001) system was prepared in-situ and investigated successively by using synchrotron light from beamline 11 of the electron storage ring DELTA. Thereby, the necessity of a reconstructed GaAs-surface to ensure an epitaxial growth of the Fe-film is verified by XPD patterns of the Fe/GaAs(001) and Fe/GaAs(4x2)-system. The spectra clearly show a chemical bonding between the Fe-film and the GaAs-substrate. The diffraction patterns reveal an epitaxial growth of Fe on GaAs(4x2), but in a pyramid-like structure due to simultaneous layer and island growth. Iron is deposited on a cleaned GaAs(001)-surface, but the inter-diffusion is strong as the Fe-film is completely amorphous. The Ga-rich (4x2)-reconstruction prevents a diffusion and ensures an epitaxial growth of the Fe-layer. The topmost MgO-layers were prepared on the well-ordered Fe(001)-surface and grow epitaxial. The Fe was oxidized at the surface and was found in a two layer thick FeO-film due to MgO-deposition. The MgO-film is halite structured and shows a lattice misfit by slightly shifted Mg-atoms. This shift was confirmed at thin and thick MgO-films and may be induced by the substrate, because the Fe/GaAs-interface clearly influences the MgO/Fe-interface structure. Furthermore, the chemical and structural changes may influence the magnetic properties of the multilayer system. Hence, they are verified by magneto-optical measurements using T-MOKE. The spectra reveal a strong reaction of the Fe-interlayer on the external magnetic field. Further, the T-MOKE analysis reveals non-magnetic properties of the GaAs-substrate nor the thin MgO-film. An additional hysteresis measurement showed excellent ferromagnetic properties of the remaining Fe despite all chemical and structural changes.