Spin-SEM oder SEMPA

Foto des SEMPA Labors mit Fischaugenobjektiv. In der Mitte ist die UHV Kammer des SEMPA Experimentes zu sehen.

Das Raster-Elektronenmikroskop mit Polarisationsanalyse (SEMPA = Scanning Electron Microscope with Polarization Analysis) wird zur hochauflösenden Abbildung der Magnetisierungsverteilung an der Oberfläche von Festkörpern verwendet.

Funktionsweise

Ein Raster-Elektronenmikroskop (REM oder SEM) tastet die Objektoberfläche mit einem feinen Elektronenstrahl ab. Bei einer ferromagnetischen Probe sind die von diesem Primärstrahl ausgelösten, sogenannten Sekundärelektronen (SE) spinpolarisiert, d.h. der Erwartungswert des Elektronenspins der SE besitzt eine Vorzugsrichtung. Diese Polarisationsrichtung ist dabei unmittelbar mit der Magnetisierungsrichtung einer nur wenige Angström dicken Oberflächenschicht am Auftreffpunkt korreliert. Die Spinpolarisation der aus der Oberfläche herausgelösten SE wird bei unserem Mikroskop mittels eines Spin-Detektors vom LEED-Typ bestimmt (LEED = Low Energy Electron Diffraction, d.h. Beugung von Elektronen niedriger Energie). In diesem Detektor werden die auf eine optimierte Streuenergie von 104,5 eV nachbeschleunigten SE auf eine Wolfram(100)-Einkristall-Oberfläche projiziert und die Intensität der zurückgestreuten (2,0) Beugungsreflexe mit Hilfe von Einzelelektronenzählern gemessen. Das Verhältnis der Streuintensitäten jeweils gegenüberliegender Beugungsmaxima liefert direkt ein Maß für die auf der Streuebene senkrecht stehende Spinpolarisationskomponente der SE. Aufgrund der extremen OberflächenÂempfindlichkeit der Streuprozesse am Wolframkristall und an der Probe muß das Mikroskop in einer Ultrahochvakuum (UHV)-Kammer bei p < 1e-10 mbar betrieben werden.

Anlage

Unsere SEMPA Anlage verwendet eine Zeiss; Gemini SEM-Säule in einer UHV-Kammer, die zusätzlich mit Einrichtungen zur in situ Präparation und Charakterisierung ultradünner magnetischer Schichten, und mit Vorrichtungen zum Einschleusen und Reinigen extern präparierter Proben ausgerüstet ist. Der Spindetektor wurde komplett in unserer Arbeitsgruppe entwickelt und für die Verwendung mit dem SEM optimiert. Bei der magnetischen Abbildung erreichen wir gegenwärtig ein laterales Auflösungsvermögen von 15 nm, wobei zwei in der Probenebene liegende Magnetisierungskomponenten gleichzeitig gemessen werden. Mit einem Heliumkryostaten werden Probentemperaturen bis 40 K erreicht.

Beispielmessung

Beispiel für die Messung einer Magnetisierungkarte von einem dünnen weichmagnetischen Film. Solch ein Bild aufzunehmen benötigt etwa 20min Zeit,

H. P. Oepen and R. Frömter, "Scanning Electron Microscopy with Polarization Analysis", in "The Handbook of Magnetism and Advanced Magnetic Materials", Volume 3 (John Wiley & Sons Ltd., Chichester, UK, 2007).

R. Frömter, H. P. Oepen, and J. Kirschner, "A miniaturized detector for high-resolution SEMPA", Appl. Phys. A 76, 869 (2003).