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Nanoanalysis by atom probe tomography of tunnel magnetoresistive (TMR) structures

In dieser Arbeit werden die beiden ferromagnetischen Legierungen CoFeB und Co2MnSi mit Hilfe von Atomsondentomographie (ATP) und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) untersucht. Wegen ihren spintronischen Eigenschaften werden beide Materialien tunnelmagnetische Widerstände eingesetzt. Für technische Anwendungen sind insbesondere Multischichtsysteme dieser Legierungen interessant, Deshalb werden auch die beiden Multischichten Ta/CoFeB/MgO und Co2MnSi/MgO/Co2MnSi /MgO in dieser Arbeit näher untersucht. Zur Probenherstellung wird das Ionen Strahl Sputter Verfahren verwendet. Beide schichtfolgen werden je nach Einsatzbereich entweder auf planare Siliziumstücke oder spitzenförmige Wolfram Drähte deponiert. Für die Untersuchung im Elektronenmikroskop werden die planaren Silizium Substrate bevorzugt, während für die Atomsonde nur spitzenförmige Proben benutzt werden können. Durch verschiedene aber klar definierte Temperaturbehandlungen werden Festkörperreaktionen zwischen den beteiligten Schichten verursacht, welche anschließend im Mikroskop oder mit der Atomsonde visualisiert werden können.Für die Ta/CoFeB/MgO Schichtfolge zeigt sich, dass Bor homogen in der amorphen CoFeB-Legierung gelöst ist, wenn keine Temperaturbehandlung unternommen wird. Jedoch scheiden sich Kobalt Eisen Kristallite an der Magnesiumoxid Barriere aus, sobald eine geeignete Wärmebehandlung durchgeführt wird. Das zurück gewiesene Bor segregiert hingegen in die entgegengesetzte Richtung und reichert sich an der Tantal-Grenzfläche an. Im Fall der des Co2MnSi/MgO/Co2MnSi/MgO- Multilayers diffundiert Mangan über die Korngrenzen in das benachbarte Magnesiumoxid. Durch Auswerten der Konzentrationsprofile kann die Diffusionslänge von Mangan in Magnesiumoxid als Funktion der Glühzeit bestimmt werden. Mit Hilfe von zwei Modellvorschlägen wird versucht die Konzentrationsprofile zu erklären und den Diffusionskoeffizient von Mangan in Magnesiumoxid zu bestimmen.

Titel: Nanoanalysis by atom probe tomography of tunnel magnetoresistive (TMR) structures
Verfasser: Bouchikhaoui, Houari GND
Gutachter: Schmitz, Guido
Organisation: FB 11: Physik
Dokumenttyp: Dissertation/Habilitation
Medientyp: Text
Erscheinungsdatum: 2016
Publikation in MIAMI: 21.06.2016
Datum der letzten Änderung: 21.06.2016
Schlagwörter: ferromagnetische Legierungen; Atomsondentomographie; tunnelmagnetische Widerstände; Bor; Diffusion; Kristallisation
Fachgebiete: Physik
Sprache: Englisch
Format: PDF-Dokument
URN: urn:nbn:de:hbz:6-95259636585
Permalink: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:hbz:6-95259636585
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Inhalt:
ABSTRACT I
ZUSAMMENFASSUNG II
1 INTRODUCTION AND MOTIVATION 1
2 MAGNETISM 3
2.1 DIA- PARAMAGNETISM 3
2.2 FERROMAGNETISM 5
2.3 MAGNETIC DOMAINS 6
2.4 HYSTERESIS 8
2.5 MAGNETIC ANISOTROPY 11
2.5.1 MAGNETOCRYSTALLINE ANISOTROPY 11
2.5.2 SHAPE ANISOTROPY 13
2.5.3 STRESS ANISOTROPY 14
2.5.4 EXCHANGE ANISOTROPY (EXCHANGE BIAS) 14
2.6 BAND MAGNETISM 16
2.7 THE MAGNETORESISTANCE 18
2.7.1 ANISOTROPIC MAGNETORESISTANCE 19
2.7.2 GIANT MAGNETORESISTANCE GMR 20
2.7.3 TUNNEL MAGNETORESISTANCE TMR 21
2.7.4 JULLIÈRE MODEL 22
2.8 SPIN POLARIZED TUNNELING 24
2.9 HEUSLER ALLOYS 25
2.10 HALF METALS 26
3 MATERIAL SCIENCE OF MAGNETIC ALLOYS 28
3.1 FERROMAGNETIC ALLOYS 28
3.2 INTERFACES, LATTICE STRUCTURES AND EPITAXY 29
3.2.1 INTERPHASE INTERFACES IN SOLIDS 30
3.3 DIFFUSION AND SEGREGATION IN SOLIDS 34
3.4 DIFFUSION MECHANISMS 36
3.4.1 INTERSTITIAL DIFFUSION 36
3.4.2 SUBSTITUTIONAL MECHANISM 38
3.4.3 TEMPERATURE DEPENDENCE 38
3.5 SEGREGATION AT INTERFACES 39
3.5.1 EQUILIBRIUM SEGREGATION – MCLEAN APPROACH 39
3.5.2 NON EQUILIBRIUM SEGREGATION 41
4 PRINCIPLES OF FIELD ION MICROSCOPY AND ATOM PROBE TOMOGRAPHY 42
4.1 FIELD EMISSION (ELECTRON) MICROSCOPY (FEM) 43
4.2 FIELD ION MICROSCOPY (FIM) 43
4.2.1 FIELD IONIZATION 44
4.2.2 FIELD EVAPORATION 46
4.2.3 IMAGE FORMATION AND MAGNIFICATION 48
4.3 ATOM PROBE TOMOGRAPHY (APT) 51
4.3.1 TIME OF FLIGHT MASS SPECTROMETRY (TOF) 52
4.3.2 RECONSTRUCTION OF ATOM PROBE DATA 53
5 EXPERIMENTAL SETUP AND SAMPLE PREPARATION 56
5.1 SAMPLE PREPARATION FOR FIM AND APT 56
5.2 SAMPLE PREPARATION FOR TEM 57
5.3 ION BEAM SPUTTERING 58
THE W/COFEB/TA SYSTEM 60
5.4 THE W/COFEB/TA/MGO SYSTEM 61
5.5 HEUSLER ALLOY CO2MNSI 61
5.5.1 HEAT TREATMENT 62
5.6 MICROSCOPY 62
6 NANOANALYSIS OF TA/COFEB/MGO STRUCTURE 63
6.1 THE MODEL TA/COFEB SYSTEM 64
6.1.1 THE KINETICS OF THE RECRYSTALLIZATION PROCESS 72
6.2 THE TA/COFEB/MGO MODEL SYSTEM 73
6.2.1 THE KINETICS OF THE RECRYSTALLIZATION PROCESS 81
6.2.2 NON-EQUILIBRIUM SEGREGATION AT THE TANTALUM INTERFACE 85
6.2.3 CONCLUSION AND SUMMARY 87
7 INVESTIGATION OF CO2MNSI HEUSLER ALLOY WITH MGO BARRIER 88
7.1 STRUCTURE AND THERMODYNAMICS 88
7.2 MAGNETIC PROPERTIES 89
7.3 APT MEASUREMENT 91
7.4 SUMMARY AND CONCLUSION 99
9 CONCLUSION 101
ACRONYMS 103
LIST OF SYMBOLS 105
LITEATURE 107