Badanie i modyfikacja cienkowarstwowych układów na bazie magnetytu

Abstract

Magnetyt (Fe[3]O[4]) jest uważany za potencjalny materiał do zastosowania w spintronice w temperaturze pokojowej. Urządzenia spintroniczne zawierałyby w swej budowie cienkie warstwy. Jednakże, warunki zewnętrzne (wysokie temperatury, ekspozycja na powietrze lub promieniowanie) mogą doprowadzić do zniszczenia struktury bądź zmiany składu warstw zawierających magnetyt. Z tego powodu niezwykle ważne są informacje dotyczące trwałości tego materiału. Celem rozprawy było zbadanie jakości oraz określenie stabilności cienkich warstw Fe[3]O[4] pod wpływem wystawiania na czynniki zewnętrzne takie jak wygrzewanie i naświetlanie wysokoenergetycznymi jonami argonu (Ar[+]), kryptonu (Kr[+]) i złota (Au[+]). Układy o budowie jednowarstwowej i dwuwarstwowej naniesiono na podłoże MgO(001) (Fe[3]O[4]/MgO(001), Fe[3]O [4]/Fe/MgO(001) i Fe/Fe[3]O[4]/MgO(001)) za pomocą techniki epitaksji z wiązek molekularnych (MBE). W pracy opisano dwie serie układów cienkich warstw – łącznie dziewięć próbek cechujących się różną grubością i sekwencją warstw. Wszystkie z nich zostały zbadane po otrzymaniu oraz po modyfikacjach (po wygrzewaniu i naświetlaniu jonami) za pomocą reflektometrii promieniowania X (XRR), spektroskopii rozpraszania wstecznego Rutherforda (RBS) i RBS z uwzględnieniem efektu kanałowania jonów (RBS-C). Do analizy danych wykorzystano symulacje komputerowe SIMNRA oraz SRIM. Stwierdzono, że układ jednowarstwowy Fe[3]O[4]/MgO(001) posiada bardzo dobrą jakość, a w układzie dwuwarstwowym Fe [3]O[4]/Fe/MgO(001) na powierzchni zawsze znajduje się stechiometryczna i stabilna warstwa Fe[3]O[4]. Zauważono też, że w układach dwuwarstwowych, po naświetlaniu dawką mniejszą niż ϕ(Ar)= 20,73∙10^16 Ar[+]/cm2, ϕ(Kr) =3,84∙10^16 Kr[+]/cm2, ϕ(Au)= 1∙10^16 Au[+]/cm2, mimo zmniejszenia grubości, a w niektórych przypadkach całkowitego utlenienia warstwy buforowej Fe, warstwa Fe[3]O[4] była zawsze zachowana.

Magnetite (Fe[3]O[4]) is considered as a potential material for spintronic applications in the room temperature. Spintronic devices would consist of magnetite thin films. However, external conditions (high temperatures, exposure to air or to high-energy beam) can destroy the structure or change the composition of magnetite layers. Therefore, it is important to determine the stability of the magnetite layers. The aim of the dissertation was to investigate the quality and to determine the stability of the Fe[3]O[4] thin films under the expose to external conditions such as annealing and high-energy argon (Ar[+]), krypton (Kr[+]) and gold (Au[+]) ion irradiation. The Single layer and bilayer thin films were grown on the MgO(001) substrate (Fe[3]O[4]/MgO(001), Fe[3]O[4]/Fe/MgO (001) and Fe/Fe[3]O[4]/MgO(001)) by molecular beam epitaxy technique (MBE). Two series of thin film systems are described in this work – nine samples in total, with different thickness and sequence of the layers. All of them were investigated in the as-grown state and after modification (upon annealing and high-energy ion irradiation) by X ray reflectometry (XRR), Rutherford's backscattering spectrometry (RBS) and RBS with the channeling effect (RBS- C). For data analysis SIMNRA and SRIM computer simulations were used. It was shown that single layer film Fe[3]O[4]/MgO(001) possesses a very good quality and in the bilayer Fe[3]O [4]/Fe/MgO(001) film, on the surface there is always a stoichiometric Fe[3]O[4] layer. The important outcome is finding the high stability of the Fe[3]O[4] layer on the surface of the bilayer films upon irradiations. For all investigated films, despite the reduction of the layer thickness and even the full oxidation of the Fe buffer layer, the surface Fe[3]O[4] layer is always preserved after irradiation with ion fluences smaller than e.g. ϕ(Ar)= 20,73∙10^16 Ar[+]/cm2, ϕ(Kr)=3,84∙10^16 Kr[+]/cm2, ϕ(Au)= 1∙10^16 Au[+]/cm2 ion.