Universität zu Köln

Sutarto, Ronny (2009). EuO and Gd-doped EuO thin films: epitaxial growth and properties. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Europium oxide (EuO) based materials exhibit a wealth of spectacular phenomena, including half-metallic ferromagnetism, metal-insulator transition, colossal magneto-resistance, large magneto-optical Kerr effect, tunable ferromagnetic ordering temperatures, and large and long-lived photo-induced conductivity. These extraordinary properties make EuO an ideal candidate for implementation in device applications, in particular, for spintronics. Most of the work in the past has been carried out on bulk EuO, but for device applications it is preferred to have the EuO in thin film form. A flurry of studies have therefore emerged in the last decade in order to explore a wide variety of preparation routes and to investigate the properties of the resulting EuO thin films. A recent highlight is the demonstration that doped EuO films can be fabricated on Si and GaN, thereby exhibiting the expected spin-polarized transport effects [1]. Nevertheless, it is still far from a trivial task to prepare EuO thin films with well defined properties. For bulk EuO, it is already known that stoichiometry is the key issue, and that the presence of small amounts of defects or impurities quickly lead to very large deviations of the material properties. In fact, to make bulk EuO to be stoichiometric one needs temperatures as high as 1800 C. It is obvious that such high temperatures are not compatible with device engineering processes. The preparation of thin films must therefore involve much lower temperatures, preferably not higher than 400-500 C. The consequences are very dear. It turned out that many of the recent studies on EuO thin films are suffering from sample quality problems, due to the presence of, e.g., trivalent Eu species (Eu3O4, Eu2O3), oxygen vacancies, or even Eu metal clusters. Controlled doping of the EuO with trivalent rare-earth ions is also not trivial, since most often even the actual doping concentrations were not known. In fact, one could also question in this respect the quality of many of the doped EuO samples used in the past bulk studies. The focus of this thesis is on the preparation and the properties of high-quality single-crystalline EuO and Gd-doped EuO thin films. The so-called Eu-distillation-assisted molecular beam epitaxy (MBE) has been employed to achieve full control of the stoichiometry. The films have been epitaxially grown on yttria-stabilized cubic zirconia (YSZ) (001) substrates. By a systematic variation of the oxygen deposition rates, we have been able to observe sustained oscillations in the intensity of the reflection high-electron energy diffraction (RHEED) pattern during growth. We thus have demonstrated that layer-by-layer growth has been achieved for the first time. We also have confirmed that YSZ indeed supplies oxygen during the initial stages of growth, yet the EuO stoichiometry can still be well maintained. In the case of Gd-doped EuO films, the presence of Gd even helps to stabilize the layer-by-layer growth mode. It is important to achieve this growth mode, since it enables the preparation of films with very smooth and flat surfaces. This in turn facilitates the capping of the films with a thin Al overlayer in order to protect the films against degradation under ambient conditions. More important, the smoothness of the film will enable the preparation of high quality device structures. By using ex-situ soft x-ray absorption spectroscopy (XAS) at the Eu and Gd M4,5 edges, we have confirmed that the films are completely free from Eu3+ contaminants, and we were able to determine reliably the actual Gd concentration. This actual Gd concentration could in fact significantly deviate from the nominal Gd/Eu evaporation ratio. From magnetization and susceptibility measurements, we found the Curie temperature to increase smoothly as a function of doping from 69 K up to a maximum of 125 K, all with a saturation moment of 7 Bohr magneton. A threshold behavior was not observed for Gd concentrations as low as 0.2%. Analysis of the data also shows that the Gd-doped EuO films can well be described as a 3D, S=7/2, Heisenberg ferromagnet. Using magneto circular dichroic soft x-ray measurements we also proved that the Gd magnetic moments couples ferromagnetically to that of Eu. [1] A. Schmehl, et al., Nature Mater. 6, 882 (2007).

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Auf Europiumoxid (EuO) basierende Materialien zeigen eine Vielzahl spektakulaerer Phaenomene. Zu diesen zaehlen ein halbmetallischer Ferromagnetismus, ein Metall-Isolator Uebergang, ein kolossaler Magnetwiderstand, ein grosser magneto-optischer Kerr-Effekt, abstimmbare ferromagnetische Ordnungtemperaturen und eine langlebige licht-induzierte elektrische Leitfaehigkeit. Diese aussergewoehnlichen Eigenschaften machen EuO zu einem idealen Kandidat fuer den Einsatz in technischen Anwendungen insbesondere im Bereich der Spintronics. In der Vergangenheit wurden die meisten Studien an Bulk-EuO durchgefuehrt. Fuer eine moegliche technische Anwendung wird jedoch EuO in Form von duennen Filmen bevorzugt. Dies fuehrte zu einer Vielzahl von Studien, die sich mit der Entwicklung von verschiedenen Herstellungsverfahren und der Erforschung der Eigenschaften der daraus resultierenden EuO-Filme beschaeftigten. Juengster Hoehepunkt war die Demonstration, dass dotierte EuO-Filme auf Si und GaN hergestellt werden koennen und dabei die erwarteten spin-polarisierten Transporteffekte zeigen [1]. Dennoch ist es noch immer keine triviale Aufgabe, EuO-Filme mit gut definierten Eigenschaften herzustellen. Fuer Bulk-EuO ist bereits bekannt, dass die Stoichiometrie eine entscheidende Rolle spielt, und dass schon kleinste Mengen an Defekten oder Verunreinigungen leicht zu gravierenden Aenderungen der Materialeigenschaften fuehren koennen. Die Herstellung von stoichiometrischem EuO in Bulk-Form erfordert Temperaturen von bis zu 1800 C. Es ist offensichtlich, dass solch hohe Temperaturen nicht mit den gaengigen Prozessen zur Herstellung von Bauteilen vereinbar sind. Im Hinblick auf eine moegliche technische Anwendung sollte die Herstellung von duennen Filmen daher mit deutlich niedrigeren Temperaturen verbunden sein und 400-500 C nicht ueberschreiten. Es stellte sich heraus, dass in vielen der juengsten Studien ueber EuO-Filme eine unzureichende Probenqualitaet, hervorgerufen durch z.B. dreiwertiges Eu (Eu3O4, Eu2O3), Sauerstofffehlstellen oder sogar Eu-Metall-Cluster, die Ergebnisse verfaelschte. Ein kontrolliertes Dotieren mit dreiwertigen Seltenerdionen ist ebenfalls nicht trivial, da haeufig die tatsaechlichen Dotierungskonzentrationen nicht bekannt sind. In dieser Hinsicht kann auch die Qualitaet der Gd-dotierten EuO-Proben in Bulk-Form aelterer Studien hinterfragt werden. Im Mittelpunkt dieser Doktorarbeit stehen die Herstellung und die Eigenschaften hochqualitativer duenner Filme von einkristallinem reinen und Gd-dotierten EuO. Hierzu wurde die Methode der Molekularstrahlepitaxie (MBE) in Kombination mit einer Eu-Destillation angewendet, um eine vollstaendige Kontrolle der Stoichiometrie zu ermoeglichen. Die Filme wurden epitaktisch auf Yttria-stabilisierten kubischen Zirkonia (YSZ) (001)-Substraten gewachsen. Durch systematische Variation der Sauerstoffdepositionsraten waren wir in der Lage, fortwaehrende Oszillationen in der Intensitaet des Beugungsmusters hochenergetischer Elektronen (RHEED) waehrend des Wachstums zu beobachten. Wir waren zum ersten Mal in der Lage, schichtweises, epitaktisches Wachstum fuer EuO nachzuweisen. Ausserdem konnte bestaetigt werden, dass die Stoichiometrie des EuO erhalten werden kann, obwohl YSZ waehrend der initialen Wachstumsphase Sauerstoff absondert. Bei Gd-dotierten EuO-Filmen helfen die Gd-Atome das Schicht-fuer-Schicht-Wachstums zu stabilisieren. Dieser Wachstumsmodus ermoeglicht die Herstellung von Filmen mit sehr glatten und ebenen Oberflaechen, so dass es nur einer duennen Al-Schutzschicht bedarf, um das EuO vor einer Degradation unter Umgebungsbedingungen zu schuetzen. Das exzellente Schicht-fuer-Schicht-Wachstum ermoeglicht ausserdem die Herstellung qualitativ hochwertiger, mikrostrukturierter Bauteile. Durch ex-situ Absorptionsspektroskopie mit weicher Roentgenstrahlung (XAS) an den Eu und Gd M4,5 Absorptionskanten konnten wir bestaetigen, dass die Filme frei von Eu3+ -Verunreinigungen sind und darueber hinaus zuverlaessig die tatsaechliche Gd-Konzentration bestimmen. Diese tatsaechliche Gd-Konzentration kann signifikant vom nominellen Gd/Eu-Verhaeltnis, das aus den Verdampfungsraten ermittelt wurde, abweichen. Magnetisierungs- und Suszeptibilitaetsmessungen zeigten ein kontinuierliches Ansteigen der Curie-Temperatur als Funktion der Gd-Dotierung von 69 K bis zu einem Maximalwert von 125 K. Fuer alle Filme wurde ein Saettigungsmoment von 7 mu_B bestimmt. Ein Schwellwertverhalten wurde fuer Gd-Konzentrationen bis hinunter zu 0,2% nicht beobachtet. Eine Analyse der Daten ergibt zudem, dass die Gd-dotierten EuO-Filme gut als 3D-Heisenberg-Ferromagnete mit S=7/2 beschrieben werden koennen. Durch Messung des magnetischen zirkularen Dichroismus mit weicher Roentgenstrahlung (XMCD) konnten wir nachweisen, dass die magnetische Momente der Gd-Atome ferromagnetisch mit den magnetischen Momenten der Eu-Atome koppeln. [1] A. Schmehl, et al., Nature Mater. 6, 882 (2007). German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Sutarto, Ronny sutarto@ph2.uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-29175
Date:	2009
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Physics > Institute of Physics II
Subjects:	Physics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language EuO, dünnschichten, schicht-für-schicht, MBE German EuO, thin films, layer-by-layer, MBE English
Date of oral exam:	5 July 2009
Referee:	Name Academic Title Tjeng, Liu Hao Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/2917