Maschinen

Evico Magnetics Kerr-Mikroskop

Mit diesem hochauflösenden optischen Mikroskop (Objektive mit 20, 50 sowie 100facher Vergrößerung) können magnetische Domänen und Magnetisierungsprozesse durch den magnetooptischen Kerr-Effekt sichtbar gemacht werden. Das Messen einer magnetischen Hysterese (Magnetometrie) wird durch den Grauwert in den einzelnen Differenzbildern erzielt. Unterschiedliche Magnetisierungskomponenten können je nach Wahl des Lichteinfalls gemessen und angezeigt werden.

Durch eine Synchronisation der gepulsten Lichtquelle und der Kamera lassen sich außerdem verschiedene magnetooptische Kontraste intensivieren (PurePol, PureLong, PureTrans). Durch die gepulste Lichtquelle sind weiterhin stroboskopische Messungen für zeitaufgelöste Bildgebung im Mikrosekundenbereich möglich. Zur Verfügung stehen bei diesem Gerät ein Dipol- sowie ein Quadrupolmagnet für Magnetfelderzeugung in der Probenebene (max. 1,3 T) sowie ein Elektromagnet für senkrechte Magenfelder bis zu 850 mT. In diesem System können Bewegungen der Probe z.B. durch Drift mithilfe eines xyz-Piezos automatisch korrigiert werden.

Sputterdepositionsanlage Z400

Die Anlage Leybold-Heraeus Z400 zur Radiofrequenz-Kathodenzerstäubung ermöglicht die Abscheidung von vier verschiedenen Targetmaterialien in koplanarer Anordnung. In der aktuellen Form ist die vollautomatische Abscheidung von Schichtsystemen beliebiger Dicke aus metallischen, halb-leitenden oder isolierenden Materialien möglich. Der Basisdruck der Anlage ist geringer als 10-6 mbar und die Abscheidungsraten können in Abhängigkeit vom Material zwischen 1 und 12 nm/min betragen, wobei zur Regelung der Depositionsrate Arbeitsdruck sowie Leistung angepasst werden können. An das Substrat kann während der Abscheidung optional ein homogenes Magnetfeld von 35 mT angelegt werden, welches parallel zur Substratebene ausgerichtet ist.

Feldkühlstand

Zur Initialisierung bzw. nachträglichen Modifikation des Exchange Bias (EB) Effekts werden die magnetischen Dünnschichtsysteme einem sog. Feldkühlprozess unterzogen. In dem hierfür verwendeten Feldkühlstand werden die Proben zunächst in einer Vakuumkammer (Basisdruck: 10-6 mbar) auf eine einstellbare Temperatur (zwischen 100 °C und 350 °C), die i.d.R. oberhalb der Temperatur für thermische Aktivierungsprozesse des EB Systems liegt, aufgeheizt. Die Proben befinden sich währenddessen in einem homogenen Magnetfeld parallel zur Schichtebene mit einer Stärke von 80 mT, dessen Richtung bspw. die Ausbildung der unidirektionalen Anisotropie in einem EB System vorgeben kann. Im Weiteren wird die Heiztemperatur für eine einstellbare Zeit gehalten, wobei diese Zeit standardmäßig bei 60 min liegt, bevor die Proben wieder auf Raumtemperatur abgekühlt werden. Während dieses Vorgangs wird im Falle von EB Systemen der Ordnungszustand im Antiferromagneten festgelegt. Für den Abkühlvorgang kann eine bestimmte Rate in K/min festgelegt werden.

Ionenstrahlanlage

Die selbstgebaute und teilautomatisierte Ionenstrahlanlage ‚ISA‘ wird zur gezielten Modifikation von magnetischen Dünnschichtsystemen mithilfe von Heliumionen verwendet. Durch einen homogenen Ionenbeschuss einer Fläche von bis zu 80 mm x 100 mm bei einer Strahlgröße von 2x2 mm2 können nahezu beliebig große Proben bestrahlt werden. Die Ionenenergie ist dabei variabel zwischen 5 keV und 30 keV einstellbar, während der Strahlstrom durch Parameteranpassung der Penning-Ionenquelle zwischen 0,01 µA und 3 µA variiert werden kann, sodass Ionendosen zwischen 1013 Ionen/cm2 und 1017 Ionen/cm2 erreicht werden können. Weiterhin wird neben des punktuellen Beschusses durch automatisiertes Verfahren der Probe unterhalb des Strahls auch der Beschuss von Flächen oder von Streifen mit Dosisgradienten ermöglicht. Da zusätzlich ein homogenes Magnetfeld von bis zu 80 mT angelegt werden kann, kann die Anlage auch zur gezielten Einstellung magnetischer Domänenkonfigurationen, z.B. in austauschverschobenen Schichtsystemen, eingesetzt werden.

Partikeltransport-Aufbau

Die in der Arbeitsgruppe vorhandenen, selbstgebauten Partikeltransport-Aufbauten werden zur Initialisierung und Beobachtung der gerichteten Aktuierung von magnetischen Objekten auf der Mikro- und Nanoskala eingesetzt. Es kommen hierbei drei wesentliche Komponenten zum Einsatz: über einen optischen Pfad (20-fache bis 100-fache Vergrößerung möglich) wird mittels einer Kamera die über entsprechend designte Elektromagnete magnetisch induzierte Dynamik mit einer Framerate von bis zu 1000 Frames pro Sekunde aufgenommen. Für jedes Hauptelement gibt es mehrere Komponenten, die ausgetauscht werden können, um verschiedene Beobachtungen  bzw. Experimente zu ermöglichen. Es stehen hierbei drei Kameras zur Verfügung: zwei davon sind Hochgeschwindigkeitskameras (Mikrotron, Optronis), während eine für fluoreszierende Partikel (pco.pixelfly) verwendet wird. Es sind mehrere Konfigurationen der Elektromagnete möglich (Gradienten- oder homogenes Magnetfeld) mit einsetzbaren Flussdichten von bis zu mehreren 10 mT.

Vibrationsmagnetometer (VSM)

Mit dem in der Arbeitsgruppe vorhandenen Eigenaufbau eines Vibrationsmagnetometers (VSM) können über Aufnahme einer Magnetisierungskurve die magnetischen Eigenschaften sowohl makroskopischer Proben als auch von Dünnschichtsystemen (max. Probengröße 20 mm x 20 mm) analysiert werden. Im Gegensatz zu den weiteren in der AG vorhandenen MOKE-Aufbauten wird hierbei integral über die gesamte Probenmagnetisierung gemessen, wodurch das VSM eine ideale Ergänzung zu diesen lokal begrenzten Charakterisierungsmethoden darstellt. Zur Einstellung eines externen Magnetfeldes steht hierbei ein Elektromagnet der Firma Bruker zur Verfügung, wobei an der Probenposition bei einem standardmäßigen Polschuhabstand von 4 cm ein maximales Magnetfeld von ca. 2 T erzeugt werden kann. Es besteht die Möglichkeit durch Drehung des Probenhalters sowohl in-plane als auch out-of-plane magnetisierte Proben zu charakterisieren, wobei zusätzlich im Messprogramm ein Messbereich mit besonders hoher Auflösung (region of interest) definiert werden kann. 

Longitudinales und vektorielles Kerr-Magnetometer (L/V-MOKE)

Mithilfe des in der Arbeitsgruppe Ehresmann aufgebauten longitudinalen Kerr-Magnetometers können Magnetisierungskurven von magnetischen Dünnschichtsystemen mit einer in der Schichtebene liegenden Magnetisierung mithilfe des magnetooptischen Kerr-Effektes aufgenommen werden. Hierzu wird ein Laser als monochromatische Lichtquelle, ein dipolarer Elektromagnet, ein optisches System aus Linsen und Polarisatoren sowie eine Photodiode als Detektor miteinander kombiniert.

Der verwendete Laser hat eine Spotbreite in der Größenordnung von 100 µm, wobei ein xy-Tisch das automatisierte laterale Abrastern der Probe erlaubt. Im Gegensatz zum longitudinalen Kerr-Magnetometer besitzt das vektorielle Kerr-Magnetometer einen rotierbaren Probenhalter und einen Quadrupol Magneten, was die automatisierte Messung von winkelabhängigen Magnetisierungskurven erlaubt. Zusätzlich wird durch eine passende Verwendung von verschiedenen Polarisatoren und Detektoren eine Verfolgung des Magnetisierungsvektors (longitudinaler und transversaler Anteil) einer Probe innerhalb der Schichtebene während eines Ummagnetisierungsprozesses ermöglicht.

Oberflächenprofilometer (Veeco Dektak 3030)

Mit Hilfe des Oberflächenprofilometers Dektak 3030 ist es dem Nutzer möglich, Oberflächenstrukturen im Höhenbereich von 5 nm bis 130 µm zu untersuchen. Dazu werden Linienprofile mit einer maximalen Länge von 5 mm und einer maximalen lateralen Auflösung von 40 Datenpunkten pro µm mittels einer Nadel mit Diamantspitze (12,5 µm Radius) aufgenommen. Die Einstellung einer variablen Auflagekraft von 1 mg bis zu 40 mg ermöglicht das Abtasten sowohl weicher als auch harter Probenoberflächen.

Rasterkraft-/Magnetkraftmikroskop (Nanosurf FlexAFM mit C3000 Controller)

Topographische oder magnetische Strukturen können mit dem Nanosurf FlexAFM (engl. Atomic force microscope), das in Kombination mit dem C3000 Controller eine digitale Auflösung im (Sub-)Pikometerbereich (XY: 6 pm, Z: 0,6 pm) aufweist, untersucht werden. Der elektromagnetisch angetriebene XY-Scanner (max. Messbereich 100 µm x 100 µm) kombiniert mit dem piezogetriebenen Z-Scanner (max. Piezohub 10 µm) erlaubt es dem Benutzer, relativ große Probenbereiche mit hohen Scangeschwindigkeiten von bis zu 60 ms pro Profillinie zu analysieren.

Derzeit genutzte Betriebsmodi sind statische und dynamische Kraft (AFM) sowie Phasenkontrast für die Messung magnetischer Streufelder oberhalb der Topographie. Hierbei kann der magnetische Kontrast entweder in konstanter Höhe oberhalb des gemittelten AFM Profils gemessen werden oder aber eine die Topographie konturierende Messung gewählt werden. Falls benötigt, kann die Software durch weitere Module, wie fortgeschrittene Spektroskopie oder Lithographie, ergänzt werden.

Dreidimensionale Magnetfeld Charakterisierung

Den Permanent- und Elektromagneten, die in den Apparaturen im Bereich funktionale dünne Schichten eingesetzt werden, kommt im Hinblick auf die Funktionalität der Geräte eine Schlüsselrolle zu. Insbesondere stellt die Kenntnis der dadurch erzeugten, dreidimensionalen Magnetfeldverteilung ein entscheidendes Kriterium zur quantitativen Modellierung stattfindender Prozesse dar. Hierzu wurde ein Aufbau in Analogie zu Rastersondentechnologien entwickelt. Zur Vermessung der Magnetfelder wird eine Hall-Sonde mit einer Auflösungsgrenze von 0,5 mT eingesetzt. Die Sonde lässt sich unter Verwendung von Schrittmotoren (minimale Schrittweite: 20 µm) dreidimensional positionieren und verfahren, wodurch eine räumliche Charakterisierung der Magnetfelder in einem definierbaren Volumen ermöglicht wird. Zusätzlich lässt sich die räumliche Ausrichtung der Hall-Sonde variieren, womit auf spezielle Randbedingungen eingegangen werden kann. Aufgrund der Analogie zur Rastersondenmikroskopie wird der Aufbau des Weiteren in Demonstrationsexperimenten und Schülerpraktika verwendet.