Table Of ContentNordrhein-Westfalische Akademie der Wissenschaften
Natur-, Ingenieur- und Wirtschaftswissenschaften Vortrage . N 410
Herausgegeben von der
Nordrhein-Westfalischen Akademie der Wissenschaften
HARTMUT ZABEL
Epitaktische Schichten:
Neue Strukturen und Phaseniibergange
ECKART KNELLER, REINHARD HAWIG
Der Austauschfeder-Magnet:
Ein neues Materialprinzip fUr Permanentmagnete
Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH
383. Sitzung am 1. April 1992 in Düsseldorf
Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme
Zabel, Hartmut:
Epitaktische Schichten: neue Strukturen und Phasenübergänge / Hartmut Zabel.
Der Austauschfeder-Magnet: ein neues Materialprinzip für Permanentmagnete /
Eckart Kneller; Reinhard Hawig. - Opladen: Westdt. Verl., 1995
(Vorträge / Nordrhein-Westfälische Akademie der Wissenschaften: Natur-,
Ingenieur- und Wirtschaftswissenschaften; N 410)
ISBN 978-3-531-08410-7
NE: Kneller, Eckart: Der Austauschfeder-Magnet; Hawig, Reinhard: Der Austausch
feder-Magnet; Nordrhein-Westfälische Akademie der Wissenschaften (Düsseldorf):
Vorträge / Natur-, Ingenieur- und Wirtschaftswissenschaften
Der Westdeutsche Verlag ist ein Unternehmen der Bertelsmann Fachinformation.
© 1995 by Springer Fachmedien Wiesbaden
Ursprünglich erschienen bei Westdeutscher Verlag GmbH Opladen in 1995
ISSN 0944-8799
ISBN 978-3-531-08410-7 ISBN 978-3-663-14435-9 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-14435-9
Inhalt
Hartmut Zabel, Bochum
Epitaktische Schichten: Neue Strukturen und Phasenubergange
1. Einleitung ..................................................... 7
2. Herstellung von metallischen Schichten und Dbergittern mit der
Molekularstrahlepitaxie ......................................... 9
3. Wachstumsverhalten und epitaktische Relationen ................... 11
4. In-situ- und ex-situ-strukturelle Charakterisierungen ................. 17
5. Oxidation von Metallschichten ................................... 23
6. Magnetische Dbergitter ......................................... 25
7. SchluBbemerkung .............................................. 30
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 32
Diskussionsbeitrage
Professor Dr. rer. nat. Eckart Kneller; Professor Dr. rer. nat. Hartmut
Zabel; Professor Dr. rer. nat. Theodor Schmidt-Kaler; Professor Dr.-Ing.
Erhard Hombogen; Professor Dr. rer. nat., Dr. rer. nat. E. h. Werner
Schreyer; Professor Dr. phil. Friedrich Scholz; Professor Dr. phil. Henricus
P.! Wijn; Professor Dr. rer. nat., Dr. sc. techno h. C. Bernhard Korte .... 33
Eckart Kneller, Reinhard Hawig, Bochum
Der Austauschfeder-Magnet: Ein neues Materialprinzip fur
Permanentmagnete
1. Einleitung ..................................................... 39
1.1 Energieprodukt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 39
1.2 Konventionelle Magnete ..................................... 40
1.3 Neues Prinzip .............................................. 42
2. Gefuge .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 43
2.1 Kritische Abmessungen ...................................... 43
2.2 Volumenanteile der Phasen .................................. 47
6 Inhalt
3. Magnetisches Verhalten ......................................... 48
3.1 Hystereseschleife, Entmagnetisierungskurve .................... 48
3.2 Remanenzverhaltnis mr = M/Ms • • • • • .. • • • • • • • • .. • • • .. • • • • • • •• 50
Hno
3.3 Kritisches Feld und Koerzitivkraft MHc .................... 52
4. Technologische Realisierung ..................................... 53
4.1 Herstellungsverfahren ....................................... 53
4.2 Legierungssystem ........................................... 54
4.3 Gefiige .................................................... 55
4.4 Magnetische Eigenschaften der Legierung (D) ................... 64
4.5 Eisenreichere Legierungen ................................... 66
Zusammenfassung ................................................ 68
Literatur ......................................................... 69
Diskussionsbeitrage
Professor Dr. rer. nat. Karl-August Hempel; Professor Dr. rer. nat. Eckart
Kneller; Professor Dr. rer. nat. Ulrich Buchenau; Professor Dr.-lng. Manfred
Depenbrock; Professor Dr. phil. Henricus P. J. Wijn ................... 70
Eptitaktische Schichten:
Neue Strukturen und Phaseniibergange
Von Hartmut Zabel, Bochum
1. Einleitung
Vnter Epitaxie versteht man die geordnete, orientierte Verwachsung von zwei
Kristallen. An der Beriihrungs- oder Grenzflache stehen die Netzebenen beider
Kristalle in einem rationalen, symmetrischen Verhaltnis zueinander. In der Natur
beobachtet man epitaktisches Verwachsen besonders haufig bei den kubischen
Kristallen Steinsalz, Pyrit, Bleiglanz und Kalziumfluorit. Die Verwachsung von
chemisch oder strukturell gleichen Kristallen wird als Homoepitaxie bezeichnet,
die Verwachsung verschiedener Kristalle als Heteroepitaxie. Statt naturgewach
sener Kristalle werden in der modernen Festkorperphysik fast ausschlieBlich
kUnstlich gezogene, hochreine Einkristalle ohne Zwillingsbildung verwendet.
Diese werden mit Impflingen aus der Schmelze gezogen, wobei der Impfling als
kleiner perfekter Einkristall das Wachstum eines groBeren Kristalls in vorgegebe
ner Orientierung durch Homoepitaxie induziert. Eine schematische Darstellung
der zwei gebrauchlichsten Methoden des Kristallwachstums ist in Abb. 1 wieder
gegeben.
Basierend auf Einkristallen hat die Festkorperphysik in den letzten siebzig
Jahren eine beeindruckende Entwicklung erlebt. Grundsatzliche Phanomene sind
in dieser Zeit untersucht und erklart worden, so z. B. das Auftreten von Ferro
und Antiferromagnetismus, die Leitfahigkeit von Halbleitern und Metallen, das
Phanomen der Supraleitung und die dielektrischen und optischen Eigenschaften
von Isolatoren, urn nur einige Beispiele zu nennen. FUr einen vorzUglichen histo
rischen Uberblick sei auf [1] verwiesen.
Wissenschaft lebt von dem Grenzbereich zwischen gesichertem Wissen und
Ignoranz, Uberpriiften Tatsachen und VorstoB in unbekanntes Terrain. Die Extra
polation von Volumenkristallen zu dUnnen kristallinen Schichten entspricht
diesem GrenzUbergang. Neue Quantisierungs-und Lokalisierungseffekte konnen
eine groBe Rolle spielen, und durch die Nahe der Oberfl1iche und Grenzflache
zum Substrat wird die Symmetrie gebrochen, was sich wiederum auf die kristall
elektrischen Felder und damit auf die dielektrischen und magnetischen Anisotro
pien auswirkt. Friihe Versuche auf diesem Gebiet sind an vielfaltigen Problemen
des Schichtwachstums, der Verunreinigungen und mangelnder Einkristallinitat
8 Hartmut Zabel
a) Drahl
Schmelze
Heizelemente -e • Abstand
•
• •
• _•I T ,
• Tiegel
• e' . ................ .
"Kri~i~ii
•
• T:
Heizungsrohr
T, T: Temperatur
Schmelzpunkt
b)
Halterung fOr Impfkristall
Impfknstall
wachsender Knstall
Tiegel
Schmelze
Abb.1: Kristallzuchtverfahren nach (a) Bridgman-Stockbarger und (b) nach Czochralski zur Herstel
lung makroskopischer Einkristalle.
gescheitert. Erst in den letzten Jahren ist hier durch die konsequente Anwendung
von Ultrahochvakuumtechniken und von kontrollierten Aufdampfbedingungen
ein Durchbruch gelungen. Damit erMfnen sich vollig neue Moglichkeiten fur eine
strukturell hochsten Ansprlichen genugende reproduzierbare Schichtherstellung.
AuBer Einzelschichten konnen verschiedene Schichten in beliebiger Reihenfolge
ubereinander gestapelt werden. Kunstliche Strukturen konnen ,maBgeschneidert'
werden, und physikalische Eigenschaften, die sich strikt gegeneinander aus
schlieBen, lassen sich in unmittelbare Nachbarschaft bringen. Dieser Beitrag
behandelt einige der Phanomene, die man mit metallischen epitaktischen Schich
ten erzielen kann. Zunachst wird die Herstellungsmethode erlautert, sodann
werden die am haufigsten auftretenden epitaxiellen Relationen diskutiert. Daran
anschlieBend werden in-situ-und ex-situ-Methoden zur strukturellen Charakteri-
Epitaktische Schichten: Neue Strukturen und Phaseniibergange 9
sierung von Schichten und Dbergittern behandelt. AbschlieBend folgt eine
Diskussion aktueller Beispiele zur Oxidation dUnner Metallschichten und zum
Magnetismus von Dbergittern.
2. Herstellung von metallischen Schichten und Obergittern
mit der Molekularstrahlepitaxie
Die wichtigste Methode zur Herstellung einkristalliner Schichten mit atomarer
Prazision und hochster kristalliner Qualitat ist die Molekularstrahlepitaxie (Mole
cular Beam Epitaxy oder MBE) [2]. Der Begriff MBE beinhaltet mehrere Tat
sachen. Zunachst versteht man darunter die Erzeugung eines Atom- bzw. Mole
kularstrahls unter Ultrahochvakuum-(UHV)-Bedingungen und die Abscheidung
der Atome auf einem geeigneten festen Substrat, im engeren Sinne einem einkri
stallinen Substrat. 1m UHV von einigen 1Q-9 Pa legt der Atomstrahl die Weg
strecke von ca. 0,2 m zwischen Verdampfer und Substrat ohne Kollisionen mit
dem Restgas zuriick, d. h. die Strahleigenschaften bleiben erhalten. Damit ist ein
gerichtetes Verdampfen moglich und die beheizbare Substrathalterung ist im Zen
trum der sich Uberschneidenden Strahlungskeulen von mehreren Verdampfer
quellen positioniert. Metalle mit Schmelztemperaturen bis ca. 1500°C konnen
in Effusionszellen, sogenannten Knudsenzellen, resistiv erhitzt und sublimiert
werden, wobei die Offnung der Zelle den Raumwinkel des Atomstrahls begrenzt.
Hoher schmelzende Materialien werden mit einem Elektronenstrahl aufge
schmolzen und dann verdampft. Pneumatisch betatigte Schieber vor den Quellen
erlauben ein abruptes Unterbrechen des Atomstrahls zur Erzeugung von atomar
scharfen Grenzflachen. Der gesamte MBE-ProzeB wird in-situ Uberwacht, riickge
koppelt und rechnergesteuert. Der schematische Aufbau einer MBE-Anlage ist in
Abb. 2 wiedergegeben. Die Aufdampfraten liegen typischerweise bei einer Mono
lage pro 1-10 Sekunden. Zur Herstellung einer 10 nm dicken Schicht werden
somit ca. 5 min benotigt. Urn wmrend dieser Zeit Kontaminationen mit dem
Restgas zu vermeiden, sind UHV-Bedingungen unabdingbar. Diese werden auch
wahrend des Aufdampfens durch eine Batterie von lonen-, Sublimations- und
Kryopumpen sowie durch KUhlung alIer Wande mit flUssigem Stickstoff aufrecht
erhalten. Verunreinigungen sind besonders schadlich fUr Halbleiter, da sie sich als
storende Dotierung bemerkbar machen wiirden. Aber auch das Wachstum von
Metallschichten wiirde durch Restgase wie Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff,
die leicht in die Metallmatrix eindringen konnen, beeintrachtigt. 1m UHV be
notigt die Adsorption einer Monolage des Restgases auf der Schichtoberflache
ca. drei Stunden. Aus dem Verhaltnis der Wachstumsraten von gewiinschter
10 Hartmut Zabel
Beschichtungskammer
I
zur
Vorkammer
Elektronen
Knudsen strahlverdampfer
zellen
Abb. 2: Schematischer Aufbau einer Molekularstrahlepitaxieanlage zur Herstellung dunner epitakti
scher Metallschichten. In der Hauptkammer, die mit diversen Vakuumpumpen auf einem
Druck von ca. 5 x 10-9 Pa gehalten wird, sind Knudsenzellen zum Verdampfen von Metallen
mit Schmelztemperaturen bis ca. 1500oe, und dariiberhinaus Elektronenstrahlverdampfer
zum lokalen Aufschmelzen der Metalle untergebracht. AuBerdem enthalt die Hauptkammer
ein elektronenoptisches System rur die Reflexion von Elektronen an der Oberflache der wach
senden Schicht (RHEED), sowie Monitore zur Kontrolle der Schichtdicke und der Verdamp
fungsraten. Die Probenhalterung kann geheizt und rotiert werden, urn optimale Substrattem
peraturen fur Schichtwachstum einzustellen und urn laterale Schichthomogenitat zu gewahr
leisten.
Schicht zur Kontamination mit Restgasen folgt eine Verunreinigung, die maximal
im unteren ppm Bereich liegt.
Neben der chemischen Reinheit ist auch die strukturelle Qualitat der Schich
ten, die mit dem MBE-Verfahren erzielt werden, ein wesentlicher Grund fur deren
Anwendung, trotz des erheblichen technischen und damit finanziellen Aufwan
des. Dabei stellt sich als besonderer Vorzug der Methode heraus, daB die Struktur
der wachsenden Schicht unmittelbar und fortlaufend in-situ kontrolliert werden
kann. Dies geschieht durch Elektronenbeugung unter streifendem Einfallswinkel
zur Schichtoberflache, wie weiter unten noch erlautert wird.
Das MBE-Verfahren eignet sich nicht nur zur Herstellung von einzelnen epitak
tischen Schichten, sondern auch von Multilagen mit beliebiger Abfolge von ver-
