Stripes and cycloids

Diese Arbeit beschäftigt sich mit resonanter Streuung im weichen Röntgenenergiebereich (RSXS) zur Untersuchung komplexer Ordnungsphänomene in oxidischen Materialien. Die Methode adressiert die Elektronen, die für die interessanten physikalischen Eigenschaften dieser Systeme maßgeblich verantwortlich sind. Die 3d- und 4f-Elektronen spielen dabei eine entscheidende Rolle und ihre Strukturen können mit RSXS sehr empfindlich elementspezifisch untersucht werden. In dieser Arbeit wurden zwei verschiedene Systeme untersucht, deren physikalische Eigenschaften eine Vielzahl technologischer Einsatzmöglichkeiten versprechen. Eines dieser Systeme sind die Seltenerdmanganate der Form REMnO3, wobei RE für die Seltenerden steht. In diesen multiferroischen Materialien kann sich bei tiefen Temperaturen eine ferroelektrische Polarisation bilden, die mit einer zykloidalen Modulation der Mn-3d-Momente verbunden ist. Die hier durchgeführte Studie an DyMnO3 zeigt, dass die Dy-4f-Momente ebenfalls einer zykloidalen Ordnung folgen. Dies bietet eine Erklärung für die bisher beobachteten Anomalien in der ferroelektrischen Polarisation als Funktion der Temperatur. In GdMnO3 ist die Situation anders. Starke zirkular dichroische Effekte in RSXS konnten erstmals die bisherigen Vermutungen bestätigen, dass auch in GdMnO3 eine Zykloide der Mn-3d-Momente existiert, die als alleinige Ursache der ferroelektrischen Polarisation angenommen werden muss. In den REMnO3 konnten Manipulationsexperimente ferroischer Domänen durch den Synchrotronstrahl durchgeführt werden, sie sind ein anschauliches Beispiel für das enorme Potential multiferroischer Systeme. Ein anderes komplexes Ordnungsphänomen, welches hier untersucht wurde, sind die Ladungs- und Spinstreifenordnungen einiger Hoch-TC (HTC)-Supraleiter. In den Kupraten La1.8-xEu0.2SrxCuO4 (LESCO) und La2-xBaxCuO4 (LBCO) lässt sich bei einer Ladungsträgerdotierung von x = 1/8 ein Absinken der Sprungtemperaturen der Supraleitung beobachten, das mit der Bildung einer Streifenordnung koinzidiert. Die hohe Sensitivität resonanter Röntgenstreuung auf kleinste Ladungsmodulationen zeigt sich bei den Untersuchungen an LESCO Kupraten. Hier konnten erstmalig Überstrukturreflexe der Ladungsstreifenordnung bis zu einer Temperatur von 80 K nachgewiesen und im Zusammenhang mit einem strukturellen Phasenübergang untersucht werden. Die durch diese Untersuchungen möglich gewordene Erweiterung der Phasendiagramme von LBCO und LESCO verdeutlicht, dass LESCO eines der ersten HTC-Kuprate ist, in dem die Ladungsstreifenordnung nicht durch die strukturelle Phase begrenzt wird. Dieses Ergebnis hat bereits zu zahlreichen Diskussionen innerhalb der HTC-Wissenschaftsgemeinschaft geführt, insbesondere über den Zusammenhang mit der Spinordnung. Für die Experimente wurde im Rahmen der Arbeit ein neues UHV- Diffraktometer entwickelt und aufgebaut, welches sich besonders durch seine Flexibilität und Stabilität für den Einsatz an einer Synchrotronstrahlungsquelle wie BESSYII in Berlin auszeichnet.The present work describes resonant soft X-Ray scattering (RSXS) as a probe to investigate complex ordering phenomena in oxide materials. RSXS allows to probe in an elementspecific way the 3d- and 4f-valence electrons that are responsible for the interesting physical characteristics of these materials. Two different material systems with promising possible technological application were studied. One of these systems is the rare-earth manganites (REMnO3). These multiferroic materials exhibit ferroelectric polarisation at low temperatures induced by cycloidal magnetic order of the Mn-3d-moments. It is clear from the present results on DyMnO3 that the 4f ordering itself is of cycloidal character, which offers an explanation for the anomalies in the ferroelectric polarisation as a function of temperature in this material. In GdMnO3 the situation is different. Strong circular dichroic effects in RSXS confirm for the first time that ferroelectricity in GdMnO3 follows also from a cycloidal modulation of the Mn-3d-moments, as previously anticipated. In REMnO3, ferroic domains could be manipulated by the synchrotron x-ray beam, which is an illustrative example for the potential of multiferroic systems. Another complex ordering phenomenon studied in this work is charge stripe formation in High-TC (HTC)-superconductors. The critical temperature of the superconducting state decreases substantially in the cuprates La1.8-xEu0.2SrxCuO4 (LESCO) and La2-xBaxCuO4 (LBCO) at a doping concentration of x = 1/8. This coincides with the formation of the stripe phase. The very high sensitivity of resonant soft X-Ray diffraction to small charge modulations offered for the first time the possibility to determine the transition temperature of the charge order in LESCO (up to 80 K), particularly in relation to the structural phase transition. With these results it was possible to extend the phase diagrams of both cuprates, demonstrating that LESCO is the first HTC-cuprate were the charge order is not limited by the structural phase transition. This result already triggered substantial discussion in the HTC scientific community, especially in connection with reported spin ordering temperatures. For the present experiments, a new UHV diffractometer was developed and built, offering the flexibility and stability required for an instrument at a synchrotron radiation source, such as BESSY II in Berlin

Grazing Incidence Small Angle X-Ray Scattering (GISAXS) on Small Targets Using Large Beams

GISAXS is often used as a versatile tool for the contactless and destruction-free investigation of nanostructured surfaces. However, due to the shallow incidence angles, the footprint of the X-ray beam is significantly elongated, limiting GISAXS to samples with typical target lengths of several millimetres. For many potential applications, the production of large target areas is impractical, and the targets are surrounded by structured areas. Because the beam footprint is larger than the targets, the surrounding structures contribute parasitic scattering, burying the target signal. In this paper, GISAXS measurements of isolated as well as surrounded grating targets in Si substrates with line lengths from $50\,{\rm\mu m}$ down to $4\,{\rm\mu m}$ are presented. For the isolated grating targets, the changes in the scattering patterns due to the reduced target length are explained. For the surrounded grating targets, the scattering signal of a $15\,{\rm\mu m}\,\times\,15\,{\rm\mu m}$ target grating structure is separated from the scattering signal of $100\,{\rm\mu m}\,\times\,100\,{\rm\mu m}$ nanostructured surroundings by producing the target with a different orientation with respect to the predominant direction of the surrounding structures. The described technique allows to apply GISAXS, e.g. for characterization of metrology fields in the semiconductor industry, where up to now it has been considered impossible to use this method due to the large beam footprint

Correlated Diffuse X-ray Scattering from Periodically Nano-Structured Surfaces

Laterally periodic nanostructures were investigated with grazing incidence small angle X-ray scattering. To support an improved reconstruction of nanostructured surface geometries, we investigated the origin of the contributions to the diffuse scattering pattern which is correlated to the surface roughness. Resonant diffuse scattering leads to a palm-like structure of intensity sheets. Dynamic scattering generates the so-called Yoneda band caused by a resonant scatter enhancement at the critical angle of total reflection and higher-order Yoneda bands originating from a subsequent diffraction of the Yoneda enhanced scattering at the grating. Our explanations are supported by modelling using a solver for the time-harmonic Maxwell's equations based on the finite-element method

Reconstructing Detailed Line Profiles of Lamellar Gratings from GISAXS Patterns with a Maxwell Solver

Laterally periodic nanostructures were investigated with grazing incidence small angle X-ray scattering (GISAXS) by using the diffraction patterns to reconstruct the surface shape. To model visible light scattering, rigorous calculations of the near and far field by numerically solving Maxwell's equations with a finite-element method are well established. The application of this technique to X-rays is still challenging, due to the discrepancy between incident wavelength and finite-element size. This drawback vanishes for GISAXS due to the small angles of incidence, the conical scattering geometry and the periodicity of the surface structures, which allows a rigorous computation of the diffraction efficiencies with sufficient numerical precision. To develop dimensional metrology tools based on GISAXS, lamellar gratings with line widths down to 55 nm were produced by state-of-the-art e-beam lithography and then etched into silicon. The high surface sensitivity of GISAXS in conjunction with a Maxwell solver allows a detailed reconstruction of the grating line shape also for thick, non-homogeneous substrates. The reconstructed geometrical line shape models are statistically validated by applying a Markov chain Monte Carlo (MCMC) sampling technique which reveals that GISAXS is able to reconstruct critical parameters like the widths of the lines with sub-nm uncertainty

Streulichtarme holografische Blaze-Gitter für den EUV-Bereich

Die physikalisch-optischen Randbedingungen beim Einsatz von Beugungsgittern im Wellenlängen-Bereich um 13,5nm bedingen einen großen Einfallswinkel. Die gebeugte Strahlung hinter einem solchen Grazing-Incidence-Gitter wird dabei an einer wesentlich größeren Fläche umgelenkt, als dies bei üblichen Anwendungen in einem Wellenlängenbereich der Fall wäre, in dem sich Schichtmaterialien mit hohem Reflexionsgrad verwenden ließen. Deshalb wirken sich Abweichungen von der Ebenheit bzw. Sollform des Gittersubstrats wesentlich stärker aus. Durch das sehr große Verhältnis von Gitterperiode zu Wellenlänge ist die Form der Blaze-Facetten der dominierend effizienzbestimmende Faktor. Sehr ungünstig sind in diesem Zusammenhang schlecht definierte Blaze-Facetten sowie auch Oberflächendefekte und Rauigkeit. Wir zeigen, dass die Herstellung dieser anspruchsvollen Gitter basierend auf einem holografischen Mastering in Photoresist in Kombination mit einem RIBE-Transfer-Prozess zu geeigneten Blaze-Strukturen führt. Projekt-Partner: Zeiss: Holografie; IOM: Reaktives Ionenstrahlätzen; PTB: Messungen bei Arbeitswellenlänge unter Nutzung von Synchrotron-Strahlung am Speicherring BESSY; TUI: wissenschaftliche Grundlagen zur Holografi