Chemische Zusammensetzung einer magnetischen Nanostruktur

Dieses Cs-korrigierte HAADF-Bild vom STEM zeigt mehrere SiO2-Kugeln. Aufgrund der hohen Ordnungszahl der enthaltenen Elemente erscheinen die magnetischen Schichten im HAADF-Kontrast viel heller als die Si-Kugeln.

Die untersuchte Probe besteht aus winzigen SiO2-Kugeln, die mit nm-dünnen Schichten aus Tantal (Ta) und Ruthenium (Ru) sowie ganz oben mit einer Mischung aus Kobalt (Co), Platin (Pt), Chrom (Cr) und Sauerstoff (O) beschichtet wurde. Die oberste Schicht hat eine Igel-ähnliche Struktur, wie sich in der Cs-korrigierten HAADF-Aufnahme in der Galerie erkennen lässt. Mit EDS in einem konventionellen STEM war es möglich, die Verteilung aller Elemente zu lokalisieren und so ein klareres Bild der Schichtstruktur zu erhalten. Mit EDS ist es z.B. sehr einfach möglich, die Basisschichten aus Ta und Ru zu unterscheiden, nachdem das Elementverteilungsbild mit 8 x 8 Binning (Zusammenfassen von 8 x 8 Pixeln) quantifiziert wurde, um die Statistik dieser schnellen Messung zu verbessern. Die überlagerten Elementverteilungsbilder lassen eine Reihe von Schlüssen zu, die für die Eigenschaften und den Produktionsprozess der funktionellen magnetischen Schichten sehr wichtig sind:

a) Co und Pt sind gleichmäßig in der obersten Schicht verteilt

b) Co und Pt bilden eine geschlossene Schicht am Fuß der einzelnen Kristallite und sorgen so für eine magnetische Verbindung und einfaches Schaltverhalten

c) Cr scheint an der Oberfläche der Struktur konzentriert zu sein.

Elementverteilungsbilder mit noch höherer Auflösung unter Verwendung von EELS in einem Cs-korrigierten STEM (veröffentlicht in APL: Magnetic hedgehog-like nanostructures, C. Brombacher, M. Falke, F. Springer, H. Rohrmann, A. Goncharov, T. Schrefl, A.Bleloch, M. Albrecht, Appl. Phys. Lett. 97, (2010) 102508, https://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.3486679) zeigen, dass Cr-Oxid die äußeren Teile der einzelnen Pt-Co-Kristallite dieser Igel-ähnlichen Struktur voneinander isoliert. Dies erlaubt die Nutzung der magnetischen Anisotropie für Schaltprozesse in magnetischen Nanostrukturen, z.B. zur Datenspeicherung.

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Konventionelles STEM HAADF-Bild der magnetischen Nanostruktur mit Kennzeichnung der Schichtbestandteile

Überlagerte Elementverteilungsbilder der magnetischen Nanostruktur mit Cr, Ru und Co

Überlagerte Elementverteilungsbilder der magnetischen Nanostruktur mit Cr, Ru und Pt

Die detaillierte Ta/Ru-Seed-Layer-Struktur wurde in diesem quantifizierten Elementverteilungsbild nach Entfaltung von Ta, Si und Cu mit 8x8-Pixel-Binning gewonnen. Für die Übersichtlichkeit werden nur Co, Ta und Ru gezeigt.

Die detaillierte Ta/Ru-Seed-Layer-Struktur wurde in diesem quantifizierten Elementverteilungsbild nach Entfaltung von Ta, Si und Cu mit 8x8-Pixel-Binning ermittelt. Um Verwechslungen zu vermeiden, werden nur Pt, Ta und Ru gezeigt.