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Zusammenfassung
In dieser Doktorarbeit untersuchen wir fundamentale Eigenschaften von ultradünnen Europiumoxidfilmen
(EuO). EuO ist ein Modellsystem eines lokalisierten 4f Heisenberg-Ferromagneten, in dem die
ferromagnetische Kopplung – eine hohe Kristallqualität vorausgesetzt – durch biaxiale Gitterspannung
verändert werden kann. Außerden ist das magnetische Oxid EuO perfekt als Tunnelkontakt mit
Spinfunktionalität für die Siliziumspintronik geeignet. Jedoch verhindern die reaktiven chemischen
Eigenschaften von EuO und Si bis heute eine erfolgreiche Implementierung in die siliziumbasierte
Halbleitertechnologie.
Mit dem Ziel, fundamentale Eigenschaften der magnetischen und elektronischen Struktur ultradünner
EuO Filme zu untersuchen, wachsen wir im ersten Teil dieser Arbeit dünne EuO Filme auf leitfähigen
YSZ-Substraten mit Volumenschichtdicken bis hinunter zu einem Nanometer mittels Molekularstrahlepitaxie
für Oxide (MBE). Diese EuO Filme besitzen einkristalline Qualität und magnetische
Eigenschaften von Volumenkristallen. Wir überprüfen die Stöchiometrie der abgedeckten dünnen
Filme mittels Photoemissionsspektroskopie im harten Röntgenstrahlenbereich (HAXPES). In Photoemissionsspektroskopie
führen wir zudem eine spezielle magnetische Charakterisierung durch unter
Ausnutzung des magnetischen Zirkulardichroismuseffekts (MCD) von Eu Kernschalenspektren. Dieser
erlaubt Einblicke in die inneratomare Austauschkopplung von dünnen EuO Filmen. Wir erhalten
signifikante MCD-Asymmetrien bis zu 49% in der Photoemission des Eu 4d-Multipletts. Dies ermöglicht
uns, die komplexen magnetischen und elektronischen Eigenschaften von ultradünnen EuO Filmen,
kohärent auf leitfähigem YSZ gewachsen, zu erforschen.
Eine biaxiale Gitterspannung, welche auf einkristallines EuO wirkt, ist auf fundamentaler Ebene interessant,
da sie die magnetischen und elektronischen Eigenschaften kontrolliert verändert. Dafür untersuchen
wir epitaktische EuO/LaAlO 3 (100)-Schichtsysteme, welche eine Gitterstreckung von 4.2%
auf EuO ausüben. EuO übernimmt übergangslos die laterale Gitterkonstante von LaAlO 3 , wobei die
senkrechte Gitterkonstante konstant den Literaturwert von EuO zeigt und daher ein Poissonverhältnis
von ν EuO ≈ 0 besitzt. Die streckende Gitterspannung verringert die Curietemperatur signifikant
um 12.3 K. Der MCD-Effekt bietet eine elementspezifische magnetische Charakterisierung: Die MCD-
Asymmetrie der Eu-Kernschalenphotoemission zeigt eine geringere Reduzierung aufgrund der Gitterspannung
als volumenintegrierende magnetische SQUID-Messungen. Daher ist der Einfluss der
Gitterspannung auf den inneratomaren Austausch (MCD-Effekt) signifikant anders als auf die Spinordnung
der 4f 7 Schale (SQUID-Messung). Hierdurch zeigt sich, dass der MCD von EuO bedeutende
Einblicke in die fundamentalen magnetischen Eigenschaften bietet.
Im zweiten Teil dieser Doktorarbeit beantworten wir die Frage, wie EuO direkt auf Silizium integriert
werden kann. Wir legen den Schwerpunkt auf die Optimierung der EuO/Si-Grenzschicht. Aufgrund
der extrem hohen chemischen Reaktivität und oberflächenkinetischen Eigenschaften von Eu, EuO und
Si während der EuO-Synthese führen wir zunächst eine thermodynamische Analyse durch. Dadurch
gewinnen wir drei in situ Methoden zur Passivierung von Si (001)-Oberflächen. Mit diesen führen wir
eine ausführliche Optimierungsstudie durch, und werten die Oberflächenpassivierung und die resultierenden
Grenzschichtreaktionsprodukte mittels einer HAXPES-Analyse aus. Das Minimum der Siliziumoxide
an der Grenzschicht ist d opt (SiO x ) = 0.69 nm, während die Silizide zu d opt (EuSi 2 ) = 0.20 nm
optimiert wurden – beides deutlich im Subnanometerbereich.
Zusammenfassend können wir ultradünne EuO/Si (001)-Schichtsysteme mit hoher struktureller und
chemischer Qualität sowie mit magnetischen Eigenschaften ähnlich eines Volumenkristalls präparieren.
Die Grenzschichtkontamination ist deutlich kleiner als eine geschlossene Bedeckungsschicht.
Dadurch erreichen wir eine heteroepitaktische Integration von EuO direkt auf Si (001), welche die
experimentelle Basis für kohärentes Tunneln darstellt. Dies ist die erste Studie, welche die direkte Integration
von hochqualitativem EuO auf Si (001) umsetzt – ohne zusätzlich aufgebrachte Pufferschichten.
Diese optimierten EuO/Si Schichtstrukturen ebnen den Weg für zukünftige Spintronikelemente
mit EuO-Tunnelkontakten.
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