Charakterisierung einer ultradünnen Fe-Schicht mittels Streuung in einer Ebene und Röntgenreflektometrie

Das Interesse an ultradünnen Magnetfilmen wächst stetig, insbesondere da diese elementare Bausteine für spintronische Anwendungen wie Datenspeichermedien oder MRAM (Magnetic Random Access Memory - Magnetische Direkt-Zugriffsspeicher) darstellen. Jedoch erweist sich die strukturelle Charakterisierung dieser Schichten mit möglicher chemischer Oberflächenreaktionen zur Entstehung neuer, kristalliner Phasen in der Materialforschung als außerordentlich schwierig.

Das SmartLab Mehrzweck-Röntgendiffraktometersystem mitsamt modernstem, unabhängigem Tastarm in einer Ebene ist ideal für die Untersuchung ultradünner Schichten geeignet. Das veranschaulichte Beispiel zeigt eine elementare, 2 nm dicke Fe-Schicht, die auf eine 10 nm dicke CuO-Schicht auf Silikon aufgebracht wurde. Die Probe wurde im Vakuum auf 300°C für 30 Minuten erhitzt. Die Messung wurde mittels einer 2.2 kW Cu-versiegelten Röhre als Röntgenquelle ausgeführt.

Abbildung 1 zeigt ein vermessenes XRD-Profil mitsamt der identifizierten Phasen. Die 2 nm dicke Schicht elementaren Eisens wurde offensichtlicherweise zu Fe₃O₄ oxidiert während CuO aufgrund chemischer Oberflächenreaktionen zu elementarem Kupfer reduziert wurde.



Abbildung 1: XRD-Profil mittels Streuung in einer Ebene und Phasenidentifizierung einer erhitzten 2 nm Fe-Schicht auf einer 10 nm CuO-Schicht. Die Eisenschicht wurde oxidiert, während die CuO-Schicht reduziert wurde.

Abbildung 2 zeigt das Röntgenreflektometrie-Profil (XRR-Profil) derselben Probe zusammen mit einer Simulation der berechneten Schichtstruktur. Die XRR-Analyse bestätigt die XRD-Ergebnisse und bietet zusätzliche Informationen über die Schichtdicken der Fe₃O₄- und der Kupferschicht.



Abbildung 2: Gemessene Daten der Röntgenreflektometrie und Simulation/Verfeinerung der berechneten Schichtstrukturen.


Das SmartLab ist das modernste hochauflösende Diffraktometer auf dem Markt. Vermutlich die auffälligste Neuerung ist die SmartLab Guidance Software, die dem Benutzer mit einem intelligenten Interface ausstattet um durch alle Feinheiten eines Experiments zu führen, beinahe so als hätte man einen Kristallographiexperten direkt an seiner Seite. Read more...