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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-83784
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/8378/


Chong, Yuen Tung

Magnetic nanostructures by atomic layer deposition

Magnetische Nanostrukturen durch Atomlagenabscheidung

Dokument1.pdf (18.071 KB) (md5sum: bf5e35cacb2c826584b60ac01b340cb2)

Kurzfassung in Englisch

Magnetic nanostructures in the form of thin films, nanotubes, and core-shell nanowires were prepared and their magnetic properties were investigated in correlation to their composition and geometrical parameters in this thesis. First, new ALD processes of magnetic ternary oxide (CoxFe3–xO4 and NixFe3–xO4) were developed. The composition, crystal structure and magnetic properties of the ternary oxides are well controlled by the pulse ratio between the corresponding metallocene precursors. The saturation magnetization of as-prepared NiFe2O4 thin film is small, and further annealing is required to enhance its magnetic signal. In contrast to this, the magnetic signal of CoxFe3–xO4 thin films obtained directly after ALD is close to their bulk counterparts and no annealing is required, which retains the low temperature deposition advantage of ALD for low thermal budget system. The cobalt iron oxide ALD process was further utilized to prepare cobalt iron oxide nanotube array in AAO with various wall thicknesses. Those nanotubes have a polycrystalline spinel structure and their grains exhibit superparamagnetic effects. The magnetocrystalline anisotropy predominates over the shape anisotropy of the nanotubes such that the magnetic properties of the nanotube strongly depend on their mean grain size (wall thickness) at room temperature. By combining ALD with electrodeposition inside AAO, the method for preparing multilayered core-shell nanowire array was developed. The ensemble magnetic properties of the core-shell wires (Ni/SiO2/Fe3O4/SiO2) combine the characteristic features of samples consisting of core only (abrupt magnetization change) and shell only (gradual magnetization change) samples. The interactions between the core and shell are insignificant within single wire, whereas the stray fields from the nanowires inside an array have considerable effect on the switching field value obtained in ensemble measurements. The PEEM investigations on isolated core-shell wires suggest that the Ni core reverse its magnetization mainly via domain wall motion, while that of Fe3O4 shell is reversed through gradual reorientation of small domains. Together with the MOKE study, the four remanent states of a core-shell wire, which amount to storing two bits of information per nanowire, were directly evidenced.


Kurzfassung in Deutsch

In dieser Arbeit wurden magnetische Nanostrukturen in Form von Dünnfilmen, Nanoröhren und Kern-Schale-Stäbchen synthetisiert. Deren magnetische Eigenschaften wurden in Abhängigkeit von der Komposition sowie den geometrischen Parametern untersucht und diskutiert. Ausgangspunkt der Arbeit war die Entwicklung eines neuen ALD-Prozesses zur Abscheidung magnetischer ternärer Oxide auf Eisenoxidbasis (sogenannte Ferrite, wie CoxFe3–xO4 und NixFe3–xO4). Über das Verhältnis der Pulse für die beteiligten Metallocene-Präkursoren, können die Zusammensetzung, die Kristallstruktur sowie die magnetischen Eigenschaften der ternären Oxide exakt eingestellt werden. Die geringe Sättigungsmagnetisierung der Nickelferrit-Dünnfilme, wie sie direkt nach der ALD-Abscheidung auftritt, kann durch einen anschließenden thermischen Ausheilprozess verbessert werden. Die magnetischen Eigenschaften von den CoxFe3–xO4-Dünnfilmen unmittelbar nach der ALD ist sehr ähnlich den Werten für makroskopische Proben. Daher kann auf eine thermische Nachbehandlung verzichtet werden, was den Vorteil der niedrigen Abscheidetemperatur des ALD-Prozesses in Hinblick auf temperaturempfindliche Substrate bzw. Systeme bewahrt. Weiterhin wurde der Kobalt-Ferrit Prozess genutzt, um ebensolche Nanoröhren mit verschiedenen Wandstärken in porösen, hexagonal geordneten Aluminiumoxidmembranen (AAO) herzustellen. Die Nanoröhren weisen eine granulare, polykristalline Spinellstruktur auf, in der das Phänomen des Superparamagnetismus beobachtet werden kann. Aufgrund dessen, dass die magnetokristalline Anisotropie gegenüber der Formanisotropie der Röhrchen überwiegt, sind die magnetischen Eigenschaften bei Raumtemperatur stark von der mittleren Korngröße, und damit der Wanddicke der Nanoröhren abhängig. Durch Kombination von ALD sowie elektrochemischer Abscheidung in nanoporösen AAO-Membranen, konnte eine template-basierte Synthesemethode zur Herstellung von Kern-Schale-Stäbchen etabliert werden. Die Ensembles von Kern-Schale-Stäbchen (Ni/SiO2/Fe3O4/SiO2) zeigen die kombinierten magnetischen Charakteristika von Proben, die nur aus Nickelstäbchen (abruptes magnetisches Schalten) bzw. Magnetitröhrchen (sukzessive Magnetisierungsumkehr) bestehen. Die magnetischen Wechselwirkungen zwischen Kern und Schale können in Einzelstrukturen vernachlässigt werden. In Ensemble-Messungen aber, kann der Einfluss des Streufeldes eines Nanoobjektes auf die Schaltfelder der Nachbarstäbchen nachgewiesen werden. PEEM Untersuchungen an isolierten Kern-Schale-Stäbchen deuten auf eine Magnetisierungsumkehr der Ni-Kerne mittels einer Domänenwandbewegung hin. Die Eisenoxidhüllen dagegen, scheinen durch allmähliche Reorientierung kleinerer Domänen magnetisch zu schalten. In Verbindung mit zusätzlich durchgeführten MOKE-Messungen wurden vier remanente Zustände der Kern-Schale-Strukturen nachgewiesen, die es prinzipiell erlauben würden, eine Informationstiefe von zwei Bit in einem Stab zu speichern.


SWD-Schlagwörter: Atomlagenabscheidung , magnetishe Nanostrukturen
Freie Schlagwörter (englisch): Atomic Layer Deposition , Magnetic Nannostructure
Institut: Institut für Mikrosystemtechnik
Fakultät: Technische Fakultät (bisher: Fak. f. Angew. Wiss.)
DDC-Sachgruppe: Technik
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Zacharias, Margit (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 20.10.2011
Erstellungsjahr: 2011
Publikationsdatum: 16.12.2011
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