Erzeugung und Charakterisierung nanostrukturierter Filme

Heutzutage gewinnen Nanostrukturen wissenschaftlich wie auch technologisch immer mehr an Bedeutung. Dabei stehen neben der Entwicklung neuer Herstellungsverfahren auch die neuartigen physikalischen und chemischen Eigenschaften dieser sehr kleiner, zum Teil nur aus wenigen Atomen bestehender Strukturen im Vordergrund des Interesses. In diesem Umfeld spielen insbesondere metallische Strukturen eine wichtige Rolle. Die Begrenzung der Elektronen auf einen sehr kleinen Raum innerhalb der Nanostrukturen, kann zu neuen elektronischen, optischen oder magnetischen Eigenschaften dieser Materialien führen. Im Rahmen dieses Projektes sollen die atomaren Prozesse bei der Nukleation und dem Wachstum von metallischen Filmen auf nanostrukturierten Oberflächen untersucht werden. Als Substrate sollen zwei spezielle, vorstrukturierte Metalloberflächen verwendet werden: Zum einen die Au(111)-Oberfläche, die eine "Fischgrätenartige" Rekonstruktion aufweist und zum anderen die Cu-O Streifenphase, die aus einer regelmäßigen Abfolge von Cu und Cu-O Streifen besteht. Beide Oberfläche besitzen eine langreichweitige Überstruktur mit Periodizität im Nanometerbereich. Bei der Cu-O Streifenphase läßt sich zusätzlich die Größe der Strukturen über die Präparation der Oberfläche in einem weiten Bereich variieren. Speziell soll die Nukleation und das Wachstum unterschiedlicher Metalle, insbesondere von Co, Ni und Fe, in Abhängigkeit der Wachstumsparamter (Oberflächentemperatur, Aufdampfrate), sowie die atomare und chemische Struktur der entstehenden Nanostrukturen charakterisiert werden. Die Untersuchungen sollen mittels verschiedener komplementärer Methoden durchgeführt werden: (i) eines bereits im Einsatz befindlichen Rastertunnelmikroskops, welches Informationen über Struktur und elektronische Zustände auf atomarer Skala liefert, (ii) der Auger Elektronenspektroskopie und thermischen Desorptionsspektroskopie zur chemischen Analyse der Oberflächenschichten und (iii) der hochauflösenden Beugung niederenergetischer Elektronen zur Charakterisierung des Wachstumsverhalten und der Morphologie der Filme.

Ultradünne magnetische Filme, bestehend aus wenigen Atomlagen eines magnetischen Materials wie Kobalt oder Eisen, aufgedampft auf einem nicht-magnetischen Substrat wie Kupfer, besitzen völlig neuartige und technologisch relevante magnetische Eigenschaften. So werden bereits heute auf der Basis des sog. "Riesenmagnetowiderstands" ultradünner magnetischer Schichtsysteme Positions- und Magnetfeldsensoren sowie Leseköpfe für Computerfestplatten hergestellt. Magnetische Eigenschaften derartiger Schichtsysteme hängen unmittelbar von der Qualität und der Dicke des magnetischen Filmes ab. Im Rahmen das FWF-Projekts P-13351 wurde das Wachstum von Kobalt auf unterschiedlich präparierten Kupferoberflächen mit dem Rastertunnelmikroskop (RTM) auf atomarer Skala untersucht. In den Untersuchungen konnte gezeigt werden, daß eine vollständige Vorbelegung der Kupferoberfläche mit Sauerstoff zu einem perfekten Wachstum atomar glatter Kobaltschichten führt. Bisherige Arbeiten hatten ergeben, daß Kobalt auf der unbehandelten, reinen Kupferoberfläche nur als rauher Film aufwächst, was sich für die gewünschten magnetischen Eigenschaften als nachteilig erweist. Durch Anwesenheit des Sauerstoffs wird die Oberflächenspannung des Kobaltfilmes herabgesetzt, so daß der Film die Kupferfläche vollständig benetzt, während sich ohne Sauerstoff kleine Hügel ausbilden und ein rauher Kobaltfilm entsteht. Der Sauerstoff, der sich anfangs auf dem Kupfer befindet, "schwimmt" auf die Oberfläche der deponierten Kobaltschicht auf und sorgt für ein nahezu perfektes "Lage-für-Lage-Wachstum". Eine unvollständige Belegung der Kupferoberfläche mit Sauerstoff bewirkt einen ganz anderen Effekt. Zunächst bildet sich spontan auf der Oberfläche eine regelmäßige Abfolge von sauerstoffbelegten (CuO) Streifen und reinen Kupferstreifen (Cu) aus. Diese Anordnung ist streng periodisch mit einer charakteristischen Streifenbreite von nur wenigen Nanometern. Auf der so vorstrukturierten Oberfläche wächst das Kobalt bevorzugt auf den CuO-Streifen auf. Somit ist die Schichtdicke des dünnen Kobaltfilms auf den CuO Streifen stets größer als auf den dazwischen liegenden Cu Bereichen. Obwohl der Sauerstoff auf den Kobaltfilm aufschwimmt, bleibt die periodische Schichtdicken-Modulation auch bei dickeren Kobaltfilmen erhalten und das ursprüngliche Streifenmuster der Unterlage wird auf den Kobaltfilm übertragen. Auf diese Weise können also auch lateral strukturierte Kobaltfilme auf einer Kupferunterlage aufgewachsen werden. Solche nanostrukturierten magnetischen Schichten könnten ihrerseits völlig neuartige magnetische Eigenschaften besitzen, die nun in Zukunft eingehender untersucht werden sollen.