Textur- und Mikrostrukturentwicklung bei der ionenstrahlunterstützten Laserdeposition von MgO

In dieser Arbeit wurde die Textur- und Mikrostrukturentwicklung von MgO bei der ionenstrahlunterstützten Laserdeposition auf amorphen Substraten untersucht. Das Wachstum der Schichten wurde in-situ mit Hilfe der hochenergetischen Elektronenbeugung verfolgt. Eine Auswertung der Beugungsaufnahmen ermöglicht qualitative und quantitative Aussagen zur Texturausbildung während des Wachstums. Anschließend erfolgte eine Charakterisierung mit Röntgenmethoden, mit dem AFM und dem REM. Zur Untersuchung aktiver Mechanismen wurden ergänzende Experimente an MgO-Einkristallen durchgeführt. Bei der Abscheidung von MgO auf amorphen Substraten ohne Ionenstrahlunterstützung können zwei Temperaturbereiche unterschieden werden. Unterhalb von 250°C entwickelt sich aus einer amorphen Keimschicht eine <110>-Fasertextur. Oberhalb dieser Temperatur wird in der Keimbildung eine <100>-Fasertextur beobachtet. Mit wachsender Schichtdicke führt ein Texturwechsel zu einer <111>-Fasertextur. Als treibende Kraft für diesen Prozeß werden innere Spannungen angesehen. Bei Verwendung eines unterstützenden Ionenstrahls findet eine orientierte Keimbildung statt, bei der biaxiale Texturen in einer Schichtdicke unterhalb von 10 nm ausgebildet werden. Unterhalb von 250°C werden Texturkomponenten mit einer <100>-Richtung parallel zum Ionenstrahl bevorzugt. Oberhalb dieser Schwellentemperatur wurde bei einem Ioneneinfallswinkel zwischen 35° und 55° und Ionenenergien zwischen 400 und 800 eV eine Würfeltextur mit einer <110>-Richtung parallel zum Ionenstrahl auf verschiedenen amorphen und glatten Substraten gefunden. Der optimale Ioneneinfallswinkel liegt bei einem Winkel von 45°, wobei Würfeltexturen mit in-plane Halbwertsbreiten von < 21° erreicht. Ursache für die in-plane Texturierung ist eine anisotrope Sputterrate, die bei Experimenten an MgO-Einkristallen gefunden wurde. Ein Vergleich mit molekulardynamischen Simulationen zeigt, daß entlang der <110>-Richtung ein Channeling möglich ist. Da in diesem Temperaturbereich die <100>-Richtung parallel zur Substratnormalen thermodynamisch bevorzugt ist, werden auf Grund des Channeling Keime mit einer <110>-Richtung parallel zum Ionenstrahl weniger gestört als anders orientierte Körner und dominieren so die Oberflächentextur. Oberhalb einer Schichtdicke von ca. 5 nm wird eine Texturänderung beobachtet, die zu Komponenten mit einer <100>-Richtung parallel zum Ionenstrahl führt und für die die starke Anisotropie der Sputterrate verantwortlich gemacht werden kann. In Experimenten an Einkristallen wurde das Minimum der Sputterrate für eine Ausrichtung der <100>-Richtung parallel zum Ionenstrahl gefunden. Auslöser für die Texturänderung ist der Einbau von Defekten auf Grund der Ionenstrahlunterstützung. Dadurch entstehen Subkörner mit einer breiten out-of-plane Orientierungsverteilung, aus denen über eine sputterbedingte Wachstumsauslese Körner mit einem minimalen Winkel zwischen Ionenstrahl und <100>-Richtung bevorzugt werden. Diese Argumentation wird zusätzlich durch eine beobachtete Zunahme von Korngröße und Rauhigkeit gestützt. Um dickere, würfelorientierte Schichten zu erhalten, muß die Keimschicht epitaktisch weitergewachsen werden. Voruntersuchungen an Einkristallen zeigten, daß mit PLD eine Homoepitaxie ab einer Temperatur von 300°C möglich ist. Allerdings wurde bei der Deposition auf würfelorientierten MgO-Keimschichten ein Texturwandel zu <111>-Fasertexturen beobachtet. Als Ursache kommen Spannungen oder eine schlechter Bedeckungsgrad der würfelorientierten Bereiche in Frage. Die epitaktische Deposition anderer Oxide führte nicht zum Erfolg. Das auf die MgO-Keimschicht direkt deponierte YBCO wies dagegen eine biaxiale Textur mit einer Halbwertsbreite von ca. 40° auf. In Vergleichsexperimenten mit TiN wurde in der Keimbildung ebenfalls eine Würfelorientierung gefunden. Dies weist darauf hin, daß die beobachteten Mechanismen der Texturentwicklung auf andere Substanzen mit NaCl-Struktur verallgemeinert werden können

Influence of Lattice Mismatch on Structural and Functional Properties of Epitaxial Ba0.7Sr0.3TiO3 Thin Films

Substrate-induced strains can significantly influence the structural properties of epitaxial thin films. In ferroelectrics, this might lead to significant changes in the functional properties due to the strong electromechanical coupling in those materials. To study this in more detail, epitaxial Ba0.7Sr0.3TiO3 films, which have a perovskite structure and a structural phase transition close to room temperature, were grown with different thicknesses on REScO3 (RE–rare earth element) substrates having a smaller lattice mismatch compared to SrTiO3. A fully strained SrRuO3 bottom electrode and Pt top contacts were used to achieve a capacitor-like architecture. Different X-ray diffraction techniques were applied to study the microstructure of the films. Epitaxial films with a higher crystalline quality were obtained on scandates in comparison to SrTiO3, whereas the strain state of the functional layer was strongly dependent on the chosen substrate and the thickness. Differences in permittivity and a non-linear polarization behavior were observed at higher temperatures, suggesting that ferroelectricity is supressed under tensile strain conditions in contrast to compressive strain for our measurement configuration, while a similar reentrant relaxor-like behavior was found in all studied layers below 0°C

Reversible shift in the superconducting transition for La1.85Sr0.15CuO4 and BaFe1.8Co0.2As2 using piezoelectric substrates

The use of piezoelectric substrates enables a dynamic observation of strain dependent properties of functional materials. Based on studies with La1.85Sr0.15CuO4 we extended this approach to the iron arsenic superconductors represented by BaFe2-xCoxAs2 to investigate strain driven changes in detail. We demonstrate that epitaxial thin films can be prepared on (001)Pb(Mg1/3Nb2/3)0.72Ti0.28O3 substrates using pulsed laser deposition. The structural as well as the electric properties of the grown films were characterized in detail. A reversible shift of the superconducting transition of 0.44 K for La1.85Sr0.15CuO4 and 0.2 K for BaFe1.8Co0.2As2 was observed applying a biaxial strain of 0.022% and 0.017% respectively

Interface control by homoepitaxial growth in pulsed laser deposited iron chalcogenide thin films

Thin film growth of iron chalcogenides by pulsed laser deposition (PLD) is still a delicate issue in terms of simultaneous control of stoichiometry, texture, substrate/film interface properties, and superconducting properties. The high volatility of the constituents sharply limits optimal deposition temperatures to a narrow window and mainly challenges reproducibility for vacuum based methods. In this work we demonstrate the beneficial introduction of a semiconducting FeSe1−xTex seed layer for subsequent homoepitaxial growth of superconducting FeSe1−xTex thin film on MgO substrates. MgO is one of the most favorable substrates used in superconducting thin film applications, but the controlled growth of iron chalcogenide thin films on MgO has not yet been optimized and is the least understood. The large mismatch between the lattice constants of MgO and FeSe1−xTex of about 11% results in thin films with a mixed texture, that prevents further accurate investigations of a correlation between structural and electrical properties of FeSe1−xTex. Here we present an effective way to significantly improve epitaxial growth of superconducting FeSe1−xTex thin films with reproducible high critical temperatures (≥17 K) at reduced deposition temperatures (200 °C–320 °C) on MgO using PLD. This offers a broad scope of various applications

Structural and Electric Properties of Epitaxial Na0.5Bi0.5TiO3-Based Thin Films

Substantial efforts are dedicated worldwide to use lead-free materials for environmentally friendly processes in electrocaloric cooling. Whereas investigations on bulk materials showed that Na0.5Bi0.5TiO3 (NBT)-based compounds might be suitable for such applications, our aim is to clarify the feasibility of epitaxial NBT-based thin films for more detailed investigations on the correlation between the composition, microstructure, and functional properties. Therefore, NBT-based thin films were grown by pulsed laser deposition on different single crystalline substrates using a thin epitaxial La0.5Sr0.5CoO3 layer as the bottom electrode for subsequent electric measurements. Structural characterization revealed an undisturbed epitaxial growth of NBT on lattice-matching substrates with a columnar microstructure, but high roughness and increasing grain size with larger film thickness. Dielectric measurements indicate a shift of the phase transition to lower temperatures compared to bulk samples as well as a reduced permittivity and increased losses at higher temperatures. Whereas polarization loops taken at −100 °C revealed a distinct ferroelectric behavior, room temperature data showed a significant resistive contribution in these measurements. Leakage current studies confirmed a non-negligible conductivity between the electrodes, thus preventing an indirect characterization of the electrocaloric properties of these films

Effect of Silver Doping on the Superconducting and Structural Properties of YBCO Films Grown by PLD on Different Templates

We report the local structural and superconducting properties of undoped and Ag-doped YBa2Cu3O6+x (YBCO) films with a thickness of up to 1 µm prepared by pulsed laser deposition on SrTiO3 (STO) single crystals and on ion-beam-assisted deposition (IBAD) and rolling-assisted biaxially textured substrate (RABiTS)-based metal templates. X-ray diffraction demonstrates the high crystalline quality of the films on both single crystalline substrates and metal-based templates, respectively. Although there was only a slight decrease in Tc of up to 1.5 K for the Ag-doped YBCO films on all substrates, we found significant changes in their transport characteristics. The effect of the silver doping mainly depended on the concentration of silver, the type of substrate, and the temperature and magnetic field. In general, the greatest improvement in Jc over a wide range of magnetic fields and temperatures was observed for the 5%Ag-doped YBCO films on STO substrates, showing a significant increase compared to undoped films. Furthermore, a slight Jc improvement was observed for the 2%Ag-doped YBCO films on the RABiTS templates at temperatures below 65 K, whereas Jc decreased for the Ag-doped films on IBAD-MgO-based templates compared to undoped YBCO films. Using detailed electron microscopy studies, small changes in the local microstructure of the Ag-doped YBCO films were revealed; however, no clear correlation was found with the transport properties of the films

Analysis of the high-speed rotary motion of a superconducting magnetic bearing during ring spinning

Ring spinning is the leading textile technology for the production of short staple yarn, which runs commercially up to a maximum speed of 25 000 rpm. Higher speeds result in yarn damage mainly due to frictional heat. To eliminate this limitation, a friction-free superconducting magnetic bearing (SMB) was introduced as alternative high-speed yarn twist element consisting of a cryostat with an array of superconductors and a levitating permanent magnet ring with a yarn guide. Whereas stable spinning was possible until 30 000 rpm, it turned out that the new SMB twist element is more susceptible to external disturbances resulting in oscillating movements of the magnet. Therefore, a measurement system with an array of 5 synchronized optical laser triangulation sensors and one tachometer was implemented to analyse this motion in detail during spinning with high speeds. To test the system, the spinning speed was varied between 10 000 rpm and 21 000 rpm for different yarn qualities. In general, the magnetic ring oscillates around its centre position with the rotation frequency and a peak amplitude between 10 μm and 14 μm, which might be due to a small imbalance of the magnet. At the same time, the small tilt of the ring remained fixed with respect to the machine for all speeds. In addition, larger oscillation amplitudes of up to 300 μm are observed at 18 Hz for selected spinning parameters arising most probably from resonance effects with machine vibrations