Multilagenschichten Harte Schichten Elektronische Schichten Laser Festkörperdetektoren Transistoren Magnetische Schichten GMR Schichten Magnetische Sensoren Leseköpfe für Festplatten Magnetische Ventile Optische Schichten Variabler Brechungsindex Kerr Effekt (Kerr Rotation) Substrate Buffer Layer 1 Layer 2 Layer 3 Layer n Cap

Obligatorische Untersuchungsmethoden Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) Information über die Dicke einzelner Schichten und über die Morphologie der Grenzflächen in ausgewählten Regionen im direkten Raum Komplizierte Probenpräparation Destruktive Methode Bei einer kleinen Dicke der einzelnen (magnetischen) Schichten ist die HRTEM notwendig Bild: magnetische Multilagenschicht (Fe/Au)

Obligatorische Untersuchungsmethoden Mikroskopie atomarer Kräfte (AFM) Information über die Morphologie der Oberfläche Nicht destruktive Methode Bild: selbst organisierte GaAs/GaInAs Strukturen

Obligatorische Untersuchungsmethoden Röntgenbeugung und Röntgenstreuung (XRD, XRR) Nicht destruktive Untersuchungsmethode Keine spezielle Probenpräparation ist erforderlich Information über die Dicke, Elektronendichte und atomare Anordnung einzelner Schichten und über die Morphologie der Grenzflächen Beobachtungen im reziproken Raum (komplizierte Auswertung)

Modell einer Multilagenschicht Beugungskontrast (Unterschied in atomaren Streufaktoren) Kristallinität der einzelnen Schichten, Vorzugsorientierung der Kristallite und Kristallitgröße Substrate Buffer Layer 1 Layer 2 Layer 3 Layer n Cap Mittlerer Netzebenenabstand und Netzebenenanzahl und ihre Verteilung Makroskopische Periodizität Atomare Anordnung

Weitwinkelbeugung – experimentelle Anordnung Koplanare Beugungsgeometrie Symmetrischer Modus Divergenter Primärstrahl Einfache Scans im reziproken Raum (der Beugungsvektor ist senkrecht zur Probenoberfläche) Diffraktierende Beugungsebenen sind parallel zur Probenoberfläche qz qx

Weitwinkelbeugung – Interpretation des Beugungsbildes Lagen der Beugungsmaxima Fe/Au (3.24nm/1.41nm)  12 Fe: 16  0.20268 nm, Au: 6  0.2355 nm Makroskopische Periodizität (des wiederholten Motivs) Mittlerer Netzebenenabstand

Strukturmodell für Weitwinkelbeugung d-spacing, dB Intralayer disorder, d tB=NB.dB L = tA+tB Interlayer disorder, c tA=NA.dA d-spacing, dA Interlayer distance, a

Berechnung der diffraktierten Intensität Kinematische Beugungstheorie xn+1 Fn+1 xn Fn Gaußförmige Verteilung der Abstände zwischen den nächsten Schichten E.E. Fullerton, I.K. Schuller, H. Vanderstraeten, and Y. Bruynserade, Phys. Rev. B 45(16) (1992) 9292.

Strukturfaktor einzelner Schichten in der Multilagenschicht Amplitude der Streustrahlung (kinematisch) Ideal georderte Struktur: Zufällige atomare Verschiebung:

Strukturfaktor einzelner Schichten in der Multilagenschicht Korrelierte Atompositionen: d … Breite der Gaußschen Verteilung für atomare Verschiebungen (charakterisiert die Kristallinität der Schichten) dL … mittlerer Netzebenenabstand innerhalb der Schicht L

Atomarer Streufaktor und die Elektronendichte … Y ist die gesamte Wellenfunktion des Atoms … r ist die Elektronendichte … q ist der Beugungsvektor (k und k0 sind die Wellenvektoren) … Df’ und Df” sind Korrektionsfaktoren für anomale Dispersion und anomale Absorption … Approximation des atomaren Streufaktors durch eine 9-Parameter- Annäherung J.A. Ibers and W.C. Hamilton (ed.): International Tables for X-ray Crystallography, Vol. IV, The Kynoch Press, Birmingham, 1974.

Simulation der Beugungsbilder im Weitwinkelbereich

Simulation der Beugungsbilder im Weitwinkelbereich Das Beugungsbild einer Multilagenschicht im Weitwinkelbereich ist sehr empfindlich: (1) zur Dicke einzelner Schichten (2) zum Netzebenenabstand

Röntgenbeugung an realen Multilagenschichten Eine gut kristalline Multilagenschicht: Fe/Au (14Å/23Å)12 Atom d[nm] t[nm] s[nm] Au 0.2355 2.292 0.28 Fe 0.2027 1.396 0.17 d0(Au, 111) = 0.2355 nm d0(Fe, 110) = 0.2027 nm a = 0.2156 nm (dave = 0.2191 nm) c = 0.0033 nm d = 0.0108 nm

Röntgenbeugung an realen Multilagenschichten Eine mäßig kristalline Multilagenschicht: Fe/Au (25Å/23Å)10 Atom d[nm] t[nm] s[nm] Au 0.2355 2.326 0.24 Fe 0.2027 2.518 0.20 d0(Au, 111) = 0.2355 nm d0(Fe, 110) = 0.2027 nm a = 0.2175 nm (dave = 0.2191 nm) c = 0.0217 nm d = 0.0117 nm

Röntgenbeugung an realen Multilagenschichten Eine schlecht kristalline Multilagenschicht: Fe/Gd (21Å/30Å)8 Atom d[nm] t[nm] s[nm] Gd 0.3074 2.975 0.11 Fe 0.1967 2.136 0.39 d0(h-Gd, 100) = 0.3100 nm d0(h-Fe, 002) = 0.1970 nm a = 0.2380 nm (dave = 0.2520 nm) c = 0.0010 nm d = 0.0215 nm