Magnetische Austauschkraftmikroskopie (PDF)

Die vorliegende Arbeit behandelt die erstmalige, eindeutige, experimentelle Realisierung der magnetischen Austauschkraftmikroskopie (MAKM). Die MAKM basiert auf der Rasterkraftmikroskopie (hier im dynamischen Nichtkontaktmodus) und erlaubt die atomar aufgelöste, spinsensitive Abbildung von Oberflächen, unabhängig von deren elektrischer Leitfähigkeit, durch Messung der kurzreichweitigen magnetischen Austauschkräfte zwischen den Spins des vordersten Atoms der Messsonde und dem darunterliegenden Probenatom.

Im ersten Teil der Arbeit wird das generelle Konzept der magnetischen Austauschkraftmikroskopie erklärt und es werden die experimentellen Anforderungen diskutiert. Außerdem wird ausführlich auf Techniken zur Präparation und Charakterisierung der verwendeten Messsonden und der Proben eingegangen.

Die Messergebnisse werden im zweiten Teil der Arbeit vorgestellt. In einem Magnetfeld mit einer Flussdichte von 5 T wurden Messungen bei einer Temperatur von 8 K durchgeführt, bei denen mit Hilfe einer eisenbeschichteten Messsonde simultan die chemische (1×1)- und die magnetische (2×1)-Oberflächeneinheitszelle der (001)-Oberfläche des antiferromagnetischen Isolators NiO abgebildet werden konnte. Der magnetische Kontrast ist dabei sowohl im Topographie- als auch im Dissipationskanal sichtbar. In manchen der auf diese Weise gemessenen Bilder treten diskrete Änderungen im magnetischen Kontrast auf, die mit Umkonfigurationen des vordersten Spitzenendes erklärbar sind. Außerdem wurden mit nickel- bzw. gadoliniumbedampften Messsonden auf der NiO(001)-Oberfläche sowie mit eisenbedampften Messsonden auf der MnO(001)-Oberfläche Messungen im Magnetfeld durchgeführt, bei denen die atomar aufgelöste Abbildung der chemischen Einheitszelle gelang, eine magnetische Abbildung jedoch nicht möglich war.

Bei weiteren Messungen wurde mittels atomar aufgelöster Rasterkraftspektroskopie mit einer nickelbeschichteten Messsonde ein Spektroskopiefeld aus 64×64 Kurven auf der NiO(001)-Oberfläche aufgenommen. Durch eine Optimierung der Messparameter und aufgrund der großen Stabilität des verwendeten Mikroskops gelang es, eine praktisch driftfreie Messung durchzuführen. Allerdings war es nicht möglich, in diesem Messmodus magnetische Auflösung zu erzielen. Jedoch konnten aus den Messdaten das Wechselwirkungspotential, die Kraft, sowie die dissipierte Energie zwischen Spitze und Probe mit hoher räumlicher Auflösung rekonstruiert werden. Bei der Analyse der Spektroskopiefelder lag das Hauptaugenmerk nicht wie üblich auf den Eigenschaften der Probe, sondern es wurde die Wechselwirkung der Spitze mit der symmetrischen (001)-Oberfläche der Probe ausgenutzt, um Aussagen bezüglich der Struktur und der Relaxationseffekte der vordersten Spitzenatome zu machen.