Projekte
Im Folgenden sind die aktuell bearbeiteten Forschungsprojekte kurz vorgestellt:
Moleküladsorption auf Silizium-Oberflächen
In Zusammenarbeit mit dem Laboratoire de Chimie Physique Matière et Rayonnement der Université Pierre et Marie Curie Paris werden in diesem Projekt Experimente zum Adsorptionsverhalten unterschiedlicher organischer Moleküle auf Silizium-Oberflächen durchgeführt. Dabei werden mittels Rastertunnelmikroskopie Adsorptionsplätze und -geometrien einzelner Moleküle bei Bedeckungen von deutlich weniger als einer Monolage untersucht, während mittels XPS- und NEXAFS-Messungen die chemische Bindung und Orientierung der Moleküle zum Substrat bei Bedeckungen im Monolagenbereich festgestellt werden kann. Zusammen mit den Ergebnissen der hochauflösenden Elektronenenergie-Verlustspektroskopie (HR-EELS), die die unterschiedlichen Schwingungsmoden der Moleküle zeigt, lassen sich die Reaktion der Moleküle mit der Oberfläche oder die Interaktion verschiedenen Moleküle mit der Oberfläche verstehen.
Links ist ein Schwingungsspektrum des Moleküls Acrylnitril adsorbiert auf der Si(001)-Oberfläche gezeigt; rechts eine Rastertunnelmikroskopieaufnahme einzelner adsorbierter Moleküle.
Untersuchung von Zinkoxid-Pulverproben
Im Rahmen des SFB 558 "Metall-Substrat-Wechselwirkungen in der heterogenen Katalyse" werden mithilfe der hochauflösenden Elektronenergieverlustspektroskopie (HR-EELS) Untersuchungen an Zinkoxid-Pulverproben durchgeführt. Dabei wird das Adsorptionsverhalten organischer Moleküle, insbesondere Methanols, an reinen, sowie mit Kupfer bedampfen ZnO-Proben Untersucht und mit Einkristallen verglichen. Im Gegensatz zu diesen liegen bei einem Pulver unterschiedliche Oberflächenorientierungen gleichzeitig vor, was dieses Modellsystem eines Katalysators näher an die tatsächlichen Bedingungen in der Methanolsynthese heran führt. Experimentell stellen die Proben für eine elektronenspektroskopische Messmethode wie HR-EELS eine Herausforderung dar, da sie im Gegensatz zu Einkristallen keine einheitlich spiegelnde Oberfläche darstellen. Trotzdem lassen sich die für Einkristalloberflächen charakteristischen Oberflächenphononen des Zinkoxids herauspräparieren.
Spektrum einer ZnO-Pulverprobe mit den typischen Phononen bei 68, 136 und 204 meV; REM-Aufnahme der Probe bei 10000-facher Vergrößerung.
Struktur und Wachstum auf Oxidoberflächen
In Rahmen des SFB 558 "Metall-Substrat-Wechselwirkungen in der heterogenen Katalyse" werden mittels Rastertunnelmikroskopie (STM) und Rastertunnelspektroskopie (STS) Untersuchungen an Modell-Katalysatoroberflächen (in diesem Fall an ZnO- und TiO2-Einkristallen) und das Wachstum von Kupfer und Gold auf diesen Oberflächen durchgeführt. Ziel der Strukturuntersuchungen an polaren und unpolaren Oberflächen der ZnO-Kristalle ist die Methanolsynthese an zinkoxidgeträgerten Kupferpartikeln d.h. den zentralen katalytischen Prozess der Methanolsynthese auf atomarer Ebene zu verstehen. Experimente mit verschiedenen reinen ZnO-Oberflächen (Zink-, gemischt-, oder Sauerstoffterminiert), Adsorbate (Wasserstoff, Wasser, CO2) auf ZnO-Oberflächen und das Kupferwachstum (mittels CVD und MBE) werden in diesem Projekt bearbeitet. Insbesondere ist die rein thermische Entwicklung der Metall/Oxid-Systeme Gegenstand der Forschungen. Mittels XPS wird in Zusammenarbeit mit der Physikalischen Chemie (Lehrstuhl PC I an der RUB) die Chemie dieser Systeme untersucht, Hoch-Temperatur STM analysiert die morphologischen Änderungen der Metallcluster-Systeme in-situ beim Tempern und lithographische Modifikationen der Cluster erlauben direkte Untersuchungen mit Hilfe von Raster-Tunnelspektroskopie am Interface zwischen Cluster und Substrat nach Entfernen einzelner Cluster.
3D-Darstellung einer bis 400°C getemperten Cu/ZnO-Probe. 7,5ML Cu wurden mittels MBE auf einen polaren ZnO (0001)-Einkristall aufgedampft. Die entstandenen Cu(111)-Inseln sinken nach Tempern bis 400°C teilweise in das Oxid ein.
Abdruck ("Footprint") eines eingesunkenen Cu-Clusters auf ZnO(0001). Die Cu(111)-Inseln wurden bis 550°C getempert und anschliessend mittels lithographischer Manipulation am STM vom ZnO-Substrat entfernt.
Strukturelle und magnetische Untersuchung von ferromagnetischen Schichten
zur Spininjektion auf Galliumarsenid
Im Rahmen des SFB 491 "Magnetische Heteroschichten: Struktur und elektronischer Transport" werden metallische ferromagnetische Schichten für Spininjektionszwecke auf III-V-Halbleitern wie GaAs aufgebracht. Gegenstand der aktuellen Arbeit in diesem Projekt sind Untersuchungen an den Schichtsystemen CrSb, Fe und Fe3Si auf GaAs. Die Untersuchung erfolgt dabei strukturell durch STM, LEED, REM und TEM – Messungen. Eine magnetische Charakterisierung der abgeschiedenen Schichten kann mittels MOKE, Kerr-Mikroskopie und SQUID vorgenommen werden. Der Einsatz von strukturellen und magnetischen Messmethoden erlaubt es Rückschlüsse auf Zusammenhänge zwischen der Struktur und dem Magnetismus der Schichten zu ziehen. Die meisten metallischen ferromagnetischen Schichten für Spininjektionszwecke werden auf III-V-Halbleiter bei Raumtemperatur oder niedrigeren Temperaturen abgeschieden, da es bei höheren Depositionstemperaturen zur Ausbildung von Legierungen der Schichten mit dem Substrat kommen kann. Diese Legierungsbildung hat auch Auswirkungen auf die magnetischen Eigenschaften einer Probe. Unten sind zwei aktuelle Beispiele von Schichtsystemen gezeigt (CrSb und Fe3Si auf GaAs), die ihre ferromagnetischen Eigenschaften auch bei hohen Temperaturen behalten.
CrSb auf GaAs
CrSb kristallisiert als Volumenmaterial in der NiAs - Kristallstruktur. Allerdings zeigen theoretische Berechnungen, dass CrSb metastabil in der Zinkblende-Kristallstruktur vorliegen kann und ferromagnetisch bis zu sehr hohen Temperaturen ist. Die halbmetallische Eigenschaft erlaubt eine nahezu 100% Spinpolarisation am Ferminiveau, die dieses Schichtsystem als Spininjektionskontakt in Halbleitermaterialien auszeichnet.
Im Rahmen des Projektes werden solche Schichten strukturell und magnetisch auf GaAs(110) und GaAs(001) untersucht. Dünne Schichten bis zu einer Dicke von 3ML zeigen ein epitaktisches Inselwachstum.SQUID-Magnetometrie-Messungen zeigten bei diesen Schichtsystemen ferromagnetisches verhalten und ein magnetisches Moment pro Cr – Atom von 5 µB.
STM-Übersichtsscan an 3 ML CrSb/GaAs(001); oben rechts ist die mit SQUID gemessene Hysteresekurve der Struktur gezeigt
Fe3Si auf GaAs
Ein weiterer guter Kandidat für die Spininjektion in spintronischen GaAs-Bauelementen ist die Heuslerlegierung Fe3Si. Die Vorteile liegen in dem halbmetallischen Verhalten von Fe3Si, der hohen Curie-Temperatur (567°C) und der geringen Gitterfehlanpassung zu GaAs. Hier untersuchen wir die Struktur und den Magnetismus von Fe3Si/GaAs in Abhängigkeit der Wachstumsparameter.
Die folgenden Abbildungen zeigen exemplarische Messergebnisse. Eine Besonderheit des Systems ist das nahezu lagenweise Wachstum ab einer bestimmten Schichtdicke (ca. 7 ML), was man, neben der atomaren Struktur, in der STM-Abbildung sehen kann.
STM-Übersichtsscan an 20 ML Fe3Si/GaAs. Es ist ein nahezu lagenweises Wachstum zu beobachten, bei dem Terrassen mit stark ausgerichteten Kanten entstehen. Das Inset zeigt die atomare Struktur des Fe3Si.
Die magnetische Anisotropie variiert stark sowohl mit der Wachstumstemperatur als auch mit der Schichtdicke, was die folgende Abbildung veranschaulicht. Es kann zum Beispiel durch eine erhöhte Wachstumstemperatur die uniaxiale Anisotropie verstärkt werden.
Links: Darstellung der winkelabhängigen Remanenzen wie sie mittels in situ MOKE an Fe3Si/GaAs(001) für zwei unterschiedliche Wachstumstemperaturen gemessen wurden. Eine höhere Wachstumstemperatur erzeugt eine stärkere uniaxiale Anisotropie. Rechts: Der schichtdickenabhängige Verlauf der kristallinen Anisotropiekonstanten K4 sowie der uniaxialen Anisotropiekonstanten K2 gemessen durch FMR (in Kooperation mit der AG Prof. M. Farle, Experimentelle Festkörperphysik, Uni Duisburg-Essen ).