University, Diss., 2004--Karlsruhe.

Zugl.: Hamburg, Techn. Univ., Diss., 2008

Für die Effektivität organischer Halbleiter spielen die Grenzflächen zwischen den konjugierten, organischen Molekülen und den Metallelektroden eine entscheidende Rolle. Inhalt dieser Arbeit ist die Untersuchung dieser Grenzflächen bezüglich ihrer strukturellen und elektronischen Eigenschaften. Besonders interessant sind dabei molekulare Systeme, welche Selbstaggregation aufweisen. Ein kritischer Parameter ist dabei das Verhältnis der inter-molekularen zu den Molekül-Metall Wechselwirkungsstärken. Um verschiedene Aspekte der molekularen Selbstaggregation zu beleuchten, wurden vier verschiedene Systeme untersucht. (i) Das defekt-gesteuerte Wachstum selbstaggregierender Molekülschichten wird betrachtet. Es wird gezeigt, dass durch Alkylierung der Moleküle das Wechselwirkungsverhältnis deutlich verändert werden kann. (ii) Weiterhin wird anhand der Orientierungsänderungen der Moleküle der mit zunehmender Schichtdicke schnell abnehmende Einfluss des Substrats nachgewiesen. (iii) Es wird gezeigt, dass durch Fluorination von Molekülen starke chemische Wechselwirkungen mit dem Substrat erzeugt werden können. (iv) Ein neuartiger Ansatz zur Entkopplung von Molekülen von dem Metall wird vorgestellt. Dies geschieht mit Hilfe einer molekularen Vorbeschichtung. Aus experimentellen und theoretischen Daten geht hervor, dass auf diese Art die Wechselwirkung zwischen Molekül und Metall verhindert wird, bei gleichzeitigem Erhalt der metallischen Eigenschaften des Substrats. Weiterhin wirkt die Vorbeschichtung auch als strukturelle Maske. Zur Erkundung der verschiedenen Eigenschaften der molekularen Systeme kamen komplementäre experimentelle Techniken zum Einsatz. Die strukturellen Eigenschaften wurden dabei mit Hilfe von Rastersondenmikroskopie (STM und AFM), Beugung niederenergetischer Elektronen (LEED) und Röntgen-Nahkanten-Absorptions-Spektroskopie (NEXAFS) ermittelt. Eine Bestimmung der elektronischen Eigenschaften erfolgte mittels Photoelektronenspektroskopie (UPS und XPS). / The interfaces between conjugated organic molecules and metal electrodes play an important role for the performance of organic devices. In this thesis the structural and electronic properties at these interfaces are investigated. In particular, the focus of this work is given to molecular systems which undergo self-assembly. The critical parameter which drives the ordering behavior at the interface is the balance between the inter-molecular and molecule-metal interaction strength. To highlight different aspects of the self-assembled growth of molecules, four different molecular systems were investigated. (i) The defect mediated growth of directed self-assembled molecular layers is explored. It will be shown, that addition of short alkyl chains to molecules leads to significant changes in the interaction balance. (ii) The fast attenuation of the substrate''s influence on the molecular ordering with increasing thickness of the molecular layer will be evidenced by the observation of changes in the molecular orientation. (iii) The initiation of strong chemical interactions with the metal substrate by fluorination of molecules is demonstrated by conducting annealing time dependent experiments. (iv) A novel attempt to decouple molecules from the metal substrate is presented. This is achieved by the insertion of a molecular template layer. Experimental and theoretical results prove the successful prevention of molecule-metal interactions, while at the same time metallic properties of the substrate are conserved. Furthermore, the inserted layer acts as a structural template. To explore the properties of the molecular systems, several complementary experimental techniques were used. Structural properties were investigated by scanning probe microscopy (STM and AFM), low energy electron diffraction (LEED) and near edge X-ray absorption fine structure spectroscopy (NEXAFS). The electronic properties were discovered by using photoelectron spectroscopy (UPS and XPS).

Since its inception a quarter of a century ago, Kelvin probe force microscopy (KPFM) has enabled studying contact potential differences (CPDs) on the nanometre scale. However, current KPFM investigations are limited by the bandwidth of its constituent electronic loops to the millisecond regime. To overcome this limitation, pump-probe-driven Kelvin probe force microscopy (pp-KPFM) is introduced that exploits the non-linear electric interaction between tip and sample. The time resolution surpasses the electronic bandwidth and is limited by the length of the probe pulse. In this work, probe pulse lengths as small as 4.5 ns have been realized. These probe pulses can be synchronized to any kind of pump pulses. The first system investigated with pp-KPFM is an electrically-driven organic field-effect transistor (OFET). Here, charge carrier propagation in the OFET channel upon switching the drain-source voltage is directly observed and compared to simulations based on a transmission line model. Varying the charge carrier density reveals the impeding influence of Schottky barriers on the maximum switching frequency. The second system is an optically-modulated silicon homojunction. Here, the speed of surface photovoltage (SPV) build-up is accessed and compared to timeaveraged results. Due to slow trap states, the time-averaged method is found to lack comprehensiveness. In contrast, pp-KPFM exposes two intensity-dependent recombination times on the same timescale — high-level Shockley-Read-Hall recombination in the bulk and heat-dominated recombination in the surface layer — and a delay of the SPV decay with rising frequency, which is attributed to charge carrier retention at nanocrystals. The third system is a DCV5T-Me:C60 bulk heterojunction. The SPV dynamics is probed and compared to measurements via open-circuit corrected transient charge carrier extraction by linearly increasing voltage. Both methods reveal an exponential onset of the band bending reduction that is attributed to the charge carrier diffusion time in DCV5T-Me, and a double exponential decay, hinting at different recombination paths in the studied organic solar cell. The above-mentioned experiments demonstrate that pp-KPFM surpasses conventional KPFM when it comes to extracting dynamic device parameters such as charge carrier retention and recombination times, and prove that pp-KPFM is a versatile and reliable tool for studying electrodynamics on nanosurfaces.

Since its inception a quarter of a century ago, Kelvin probe force microscopy (KPFM) has enabled studying contact potential differences (CPDs) on the nanometre scale. However, current KPFM investigations are limited by the bandwidth of its constituent electronic loops to the millisecond regime. To overcome this limitation, pump-probe-driven Kelvin probe force microscopy (pp-KPFM) is introduced that exploits the non-linear electric interaction between tip and sample. The time resolution surpasses the electronic bandwidth and is limited by the length of the probe pulse. In this work, probe pulse lengths as small as 4.5 ns have been realized. These probe pulses can be synchronized to any kind of pump pulses. The first system investigated with pp-KPFM is an electrically-driven organic field-effect transistor (OFET). Here, charge carrier propagation in the OFET channel upon switching the drain-source voltage is directly observed and compared to simulations based on a transmission line model. Varying the charge carrier density reveals the impeding influence of Schottky barriers on the maximum switching frequency. The second system is an optically-modulated silicon homojunction. Here, the speed of surface photovoltage (SPV) build-up is accessed and compared to timeaveraged results. Due to slow trap states, the time-averaged method is found to lack comprehensiveness. In contrast, pp-KPFM exposes two intensity-dependent recombination times on the same timescale — high-level Shockley-Read-Hall recombination in the bulk and heat-dominated recombination in the surface layer — and a delay of the SPV decay with rising frequency, which is attributed to charge carrier retention at nanocrystals. The third system is a DCV5T-Me:C60 bulk heterojunction. The SPV dynamics is probed and compared to measurements via open-circuit corrected transient charge carrier extraction by linearly increasing voltage. Both methods reveal an exponential onset of the band bending reduction that is attributed to the charge carrier diffusion time in DCV5T-Me, and a double exponential decay, hinting at different recombination paths in the studied organic solar cell. The above-mentioned experiments demonstrate that pp-KPFM surpasses conventional KPFM when it comes to extracting dynamic device parameters such as charge carrier retention and recombination times, and prove that pp-KPFM is a versatile and reliable tool for studying electrodynamics on nanosurfaces.

Das Ziel dieser Arbeit ist die optische Untersuchung von ferroelektrischen Domänen und Domänenwänden auf lokaler Skala. Dafür wurden neuartige nichtinvasive Ansätze entwickelt, die auf der Anwendung optischer Rastersondenmikroskopie basieren. Die untersuchten Schlüsseleigenschaften umfassen den elektrooptischen Effekt für verschiedene Domänenorientierungen und die Brechungindexänderungen an Domänenwänden an Bariumtitanat-Einkristallen. Die lokale Messung der elektrooptischen Eigenschaften wurde mit räumlich stark begrenzten elektrischen Feldern durchgeführt, die mittels elektrisch leitfähigen Spitzen angelegt wurden. Dieser experimentelle Ansatz erlaubt nicht nur die Messung verschiedener elektrooptischer Koeffzienten, sondern auch die Unterscheidung von allen auftretenden, auch antiparallelen, Domänenausrichtungen. Durch Anlegen eines zusätzlichen elektrischen Feldes mittels der gleichen Spitze konnte auch das ferroelektrische Schalten mit dieser optischen Methode untersucht werden. Die Experimente wurden durch eine numerische Modellierung der elektrischen Feldverteilung und der resultierenden elektrooptischen Antwort begleitet. Die Ergebnisse der Modellierung sind dabei in sehr guter Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen. Dies erlaubt auch die Trennung von Beiträgen verschiedener elektrooptischer Koeffzienten und den entsprechenden Feldkomponenten. ür die experimentelle Untersuchung von den theoretisch vorhergesagten Brechungsindexprofilen einzelner Domänenwände, wurde die Sensitivität der optischen Sonde auf lokale Änderungen des Brechungsindex mittels Polarisations- und Positionsmodulation erhöht. Obwohl die Abbildung einer einzelnen Domänenwand nicht gelang, konnte damit zumindest eine obere Grenze für den optischen Effekt einer Domänenwand experimentell gewonnen werden, welche verträglich mit den theoretischen Vorhersagen ist. / The goal of this thesis is the optical investigation of ferroelectric domains and domain walls at the very local scale. For that, novel noninvasive approaches based on optical scanning probe microscopy are developed. The key properties investigated are the electrooptic effect for different domain orientations and refractive-index changes at single domain walls of barium titanate single crystals. The local probing of the electro-optic response is performed with strongly confined electric fields, applied via a conductive tip. With this approach we can not only probe different electro-optic coeffcients, but also identify all occurring domain orientations, even antiparallel ones. The application of additional bias fields by the same tip is used to investigate ferroelectric switching and domain growth by optical means. The experiments are supported by numerical modelling of the electric-field distribution and the resulting electro-optic response. The modelling shows excellent agreement with the measurements, and allows us to separate the contributions of different electro-optic coeffcients and their associated electric-field components. For the experimental observation of the theoretically predicted refractive-index profiles at single ferroelectric domain walls, polarization and position modulation of the optical probe is used to obtain high sensitivity to local modifications of the refractive index. An upper limit to the optical effect to the optical effect of a single domain wall is deduced from the experiment, which is compatible with the effect predicted by theory.

Das Ziel dieser Arbeit ist die optische Untersuchung von ferroelektrischen Domänen und Domänenwänden auf lokaler Skala. Dafür wurden neuartige nichtinvasive Ansätze entwickelt, die auf der Anwendung optischer Rastersondenmikroskopie basieren. Die untersuchten Schlüsseleigenschaften umfassen den elektrooptischen Effekt für verschiedene Domänenorientierungen und die Brechungindexänderungen an Domänenwänden an Bariumtitanat-Einkristallen. Die lokale Messung der elektrooptischen Eigenschaften wurde mit räumlich stark begrenzten elektrischen Feldern durchgeführt, die mittels elektrisch leitfähigen Spitzen angelegt wurden. Dieser experimentelle Ansatz erlaubt nicht nur die Messung verschiedener elektrooptischer Koeffzienten, sondern auch die Unterscheidung von allen auftretenden, auch antiparallelen, Domänenausrichtungen. Durch Anlegen eines zusätzlichen elektrischen Feldes mittels der gleichen Spitze konnte auch das ferroelektrische Schalten mit dieser optischen Methode untersucht werden. Die Experimente wurden durch eine numerische Modellierung der elektrischen Feldverteilung und der resultierenden elektrooptischen Antwort begleitet. Die Ergebnisse der Modellierung sind dabei in sehr guter Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen. Dies erlaubt auch die Trennung von Beiträgen verschiedener elektrooptischer Koeffzienten und den entsprechenden Feldkomponenten. ür die experimentelle Untersuchung von den theoretisch vorhergesagten Brechungsindexprofilen einzelner Domänenwände, wurde die Sensitivität der optischen Sonde auf lokale Änderungen des Brechungsindex mittels Polarisations- und Positionsmodulation erhöht. Obwohl die Abbildung einer einzelnen Domänenwand nicht gelang, konnte damit zumindest eine obere Grenze für den optischen Effekt einer Domänenwand experimentell gewonnen werden, welche verträglich mit den theoretischen Vorhersagen ist. / The goal of this thesis is the optical investigation of ferroelectric domains and domain walls at the very local scale. For that, novel noninvasive approaches based on optical scanning probe microscopy are developed. The key properties investigated are the electrooptic effect for different domain orientations and refractive-index changes at single domain walls of barium titanate single crystals. The local probing of the electro-optic response is performed with strongly confined electric fields, applied via a conductive tip. With this approach we can not only probe different electro-optic coeffcients, but also identify all occurring domain orientations, even antiparallel ones. The application of additional bias fields by the same tip is used to investigate ferroelectric switching and domain growth by optical means. The experiments are supported by numerical modelling of the electric-field distribution and the resulting electro-optic response. The modelling shows excellent agreement with the measurements, and allows us to separate the contributions of different electro-optic coeffcients and their associated electric-field components. For the experimental observation of the theoretically predicted refractive-index profiles at single ferroelectric domain walls, polarization and position modulation of the optical probe is used to obtain high sensitivity to local modifications of the refractive index. An upper limit to the optical effect to the optical effect of a single domain wall is deduced from the experiment, which is compatible with the effect predicted by theory.

Skyrmions are spin textures with particle character that order themselves into so-called “skyrmion lattices” (SkLs). A skyrmion is topologically nontrivial, which adds stability against external perturbations and attracts tremendous interest from the theoretical side. Since skyrmions can be moved with small electrical currents, they are being discussed for novel spintronic applications, such as racetrack memory. Further interest has been spurred by the discovery of multiferroic compounds that also host SkLs, resulting in additional properties that are highly interesting both for applications and for fundamental research. The scope of this thesis encompasses the investigation of two completely different exemplary SkL-hosting multiferroic systems using a broad set of scanning probe microscopy techniques. These can probe multiple properties on a local scale in real space with a single measurement, examining details not resolved by non-local techniques. In the first part, there is a brief introduction to magnetic skyrmions and scanning probe microscopy with a short review of the theoretical background. The materials of interest and their known properties are then introduced. These are Cu2OSeO3, an insulator exhibiting the emergence of Bloch-type skyrmions as well as type-II multiferroicity, and the lacunar spinel chalcogenides, which were recently found to exhibit multiferroic Néel-type skyrmions pinned to magnetic easy-axes/planes together with type-I multiferroicity originating from a structural Jahn–Teller transition. The second part first presents various scanning probe studies and their results for Cu2OSeO3, where, aside from the magnetic textures of the various magnetic phases, the magnetoelectric effect and the magnetic phase transitions are investigated and described with basic theoretical models. Results show a good correlation between observations and theory, as well as with other experimental methods. Various lacunar spinels are then investigated, mostly GaV4S8 and GaMo4S8. Observation of the structural phase transition leads to the observation of {100}-type domain boundaries compatible with the compatibility critera based on crystal geometry. Furthermore, measurements of the magnetic textures of the different magnetic phases for GaV4S8 are presented and analysed. Results highlight a pinning of the pitch vector to the magnetic hard plane, and that the structural domain boundaries are by necessity magnetic domain boundaries. Analysing the influence of surface anisotropy and structural domain boundaries reveals a strong effect of both on the formation of magnetic patterns in their vicinity. Finally, the magnetoelectric effect of different lacunar spinels is investigated by measuring the surface potential with changing magnetic fields leading to a hysteretic behaviour in all materials.:Abstract/Kurzdarstellung 1 Introduction – Skyrmions meet Multiferroicity 2 Magnetic Skyrmion Lattices 2.1 What is a Skyrmion? 2.2 Formation of Skyrmion Lattices 2.2.1 Basic Considerations 2.2.2 Emergence of Skyrmion Lattices 2.3 General Properties of Skyrmions 2.4 Ways to Observe Skyrmions 3 Scanning Probe Microscopy 3.1 General Aspects 3.2 SPM in Contact Mode 3.2.1 Atomic Force Microscopy 3.2.2 Conductive Atomic Force Microscopy 3.2.3 Piezoresponse Force Microscopy 3.3 SPM in Non-Contact Mode 3.3.1 Atomic Force Microscopy 3.3.2 Kelvin Probe Force Microscopy 3.3.3 Magnetic Force Microscopy 3.4 About Scanning Dissipation Microscopy 3.4.1 Possible Origins of Dissipation 3.4.2 Measuring Dissipation 3.4.3 Mathematical Background 3.5 Experimental Setup 4 Investigated Materials 4.1 Cubic copper(II)-oxo-selenite Cu2O(SeO3) 4.2 Lacunar Spinel Chalcogenides 4.2.1 General Aspects and Materials Chosen 4.2.2 Structural Phase Transition and Expected Piezoresponse 4.2.3 Magnetic Phase Transition 4.2.4 Investigated Crystals 5 Investigations on Cu2OSeO3 5.1 Observing the Different Magnetic Phases 5.1.1 Analysis of Magnetic Textures with Magnetic Force Microscopy 5.1.2 Analysis of Magnetic Textures with Scanning Dissipation Microscopy 5.2 Analysis of the Magnetoelectric Effect 5.2.1 Observing the Magnetoelectric Effect with KPFM 5.2.2 Heuristic Description of the Magnetoelectric Effect 5.3 Analysing the Magnetic Phase Transitions with SPM 5.3.1 Motivation from Theory 5.3.2 Distinguishing the Helical, Conical and Field-Polarised Phases 5.3.3 The Helical–Conical Phase Transition 5.3.4 Passing through the Conical Phase 6 Investigations on GaV4S8 6.1 Observing the Structural Phase Transition 6.1.1 Results from nc-AFM 6.1.2 Results from ct-AFM and PFM 6.2 Observing the Magnetic Phases 6.3 Analysing the Magnetic SDM Images 6.3.1 Theoretical Considerations 6.3.2 Rescaling from the Measured to the Magnetic Hard Plane 6.3.3 Influence of the Surface on the Patterns Observed 6.4 Influence of Structural Domain Walls on Magnetic Patterns 7 Further Investigation on Lacunar Spinels 7.1 Investigations on GaMo4S8 7.1.1 Experimental Results 7.1.2 Theoretical Considerations 7.1.3 Evaluation of the Experimental Data 7.2 Magnetoelectric Effect of Lacunar Spinels 8 Remarks About Magnetic Non-Contact Dissipation 9 Summary and Outlook 9.1 Synopsis 9.2 Outlook – Probing the Future A Permissions For Usage of Content B Some Additional Information on Non-Contact Dissipation C Bonus Images Bibliography Publications Acknowledgements Erklärung / Skyrmionen sind teilchenartige Spintexturen, welche sich in sogenannten Skyrmionengittern anordnen. Jedes Skyrmion besitzt eine topologische Ladung. Dieses Konzept ist von bedeutendem Interesse für die Theorie und führt zu zusätzlicher Stabilität gegen externe Störungen. Da Skyrmionen mit geringen elektrischen Strömen bewegt werden können, sind sie auch Kanditaten für neuartige, spintronische Anwendungen wie den Racetrack-Speicher. Zusätzlich wurden vor einiger Zeit multiferroische Materialien entdeckt, welche ebenso Skyrmionengitter bilden und aufgrund dessen weitere, interessante Eigenschaften besitzen, welche sowohl für Anwendungen als auch für die Grundlagenforschung interessant sind. Inhalt dieser Dissertation ist die Untersuchung zweier verschiedener, exemplarischer multiferroischer Materialien mit Skyrmiongitterphasen mittels verschiedener Rastersondentechniken. Dies erlaubt das gleichzeitige Erfassen mehrerer Parameter auf einer lokalen Skala im Realraum mit einer einzigen Messung und somit die Untersuchung von Details, welche durch nicht-lokale Techniken nicht erfasst werden können. Im ersten Teil wird eine kurze Einleitung über magnetische Skyrmionen und die Rastersondenmikroskopie sowie Abrisse über deren theoretischen Hintergrund gegeben. Im Anschluß werden die untersuchten Materialien und deren Eigenschaften vorgestellt. Das erste System ist Cu2OSeO3, ein Isolator, welcher Bloch-artige Skyrmionengitter formiert und ein Typ-II Multiferroikum ist. Weitere Systeme gehören zur Klasse der lakunären Spinell-Chalkogenide, welche nach neuesten Erkenntnissen multiferroische Néel-artige Skyrmionen formieren, deren Modulationsvektor zur magnetisch harten Achse/Ebene fixiert ist. Ebenso sind diese aufgrund eines strukturellen Jahn-Teller Überganges Typ-I Multiferroika. Im zweiten Teil werden verschiedene Rastersondenuntersuchungen und ihre Ergebnisse präsentiert. Beginnend mit Cu2OSeO3, werden, neben den den magnetische Texturen der verschiedenen magnetischen Phasen, der magnetoelektrische Effekt und der helisch-konische Phasenübergang untersucht sowie mit grundlegenden theoretischen Modellen verglichen. Die Ergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung zwischen den Beobachtungen und der Theorie sowie mit anderen Meßmethoden. Im Anschluß werden verschiedene lakunäre Spinell-Chalkogenide, vor allem GaV4S8 und GaMo4S8, untersucht. Beobachtungen des strukturellen Phasenüberganges ergeben die Formierung von {100}-artigen Domänenwänden, welche mit den Vorhersagen der Kompatibilitätskriterien resultierend aus der Kristallgeometrie übereinstimmen. Des Weiteren werden Messungen der magnetischen Texturen der verschiedenen magnetischen Phasen von GaV4S8 präsentiert sowie analysiert. Die Ergebnisse heben hervor, daß der Modulationsvektor an der magnetisch harten Ebene fixiert ist und daß die strukturellen Domänengrenzen notwendigerweise auch die magnetischen Domänengrenzen sein müssen. Eine Analyse des Einflusses der Oberflächenanisotropie sowie der strukturellen Domänengrenzen zeigt eine starke Wirkung beider auf die Formierung magnetischer Texturen in ihrer Nähe. Schließlich wird der magnetoelektrische Effekt der lakunären Spinell-Chalkogenide durch Messung des Oberflächenpotentiales als Funktion des angelegten Magnetfeldes untersucht. Beobachtungen ergeben ein hysteretisches Verhalten in allen Materialen.:Abstract/Kurzdarstellung 1 Introduction – Skyrmions meet Multiferroicity 2 Magnetic Skyrmion Lattices 2.1 What is a Skyrmion? 2.2 Formation of Skyrmion Lattices 2.2.1 Basic Considerations 2.2.2 Emergence of Skyrmion Lattices 2.3 General Properties of Skyrmions 2.4 Ways to Observe Skyrmions 3 Scanning Probe Microscopy 3.1 General Aspects 3.2 SPM in Contact Mode 3.2.1 Atomic Force Microscopy 3.2.2 Conductive Atomic Force Microscopy 3.2.3 Piezoresponse Force Microscopy 3.3 SPM in Non-Contact Mode 3.3.1 Atomic Force Microscopy 3.3.2 Kelvin Probe Force Microscopy 3.3.3 Magnetic Force Microscopy 3.4 About Scanning Dissipation Microscopy 3.4.1 Possible Origins of Dissipation 3.4.2 Measuring Dissipation 3.4.3 Mathematical Background 3.5 Experimental Setup 4 Investigated Materials 4.1 Cubic copper(II)-oxo-selenite Cu2O(SeO3) 4.2 Lacunar Spinel Chalcogenides 4.2.1 General Aspects and Materials Chosen 4.2.2 Structural Phase Transition and Expected Piezoresponse 4.2.3 Magnetic Phase Transition 4.2.4 Investigated Crystals 5 Investigations on Cu2OSeO3 5.1 Observing the Different Magnetic Phases 5.1.1 Analysis of Magnetic Textures with Magnetic Force Microscopy 5.1.2 Analysis of Magnetic Textures with Scanning Dissipation Microscopy 5.2 Analysis of the Magnetoelectric Effect 5.2.1 Observing the Magnetoelectric Effect with KPFM 5.2.2 Heuristic Description of the Magnetoelectric Effect 5.3 Analysing the Magnetic Phase Transitions with SPM 5.3.1 Motivation from Theory 5.3.2 Distinguishing the Helical, Conical and Field-Polarised Phases 5.3.3 The Helical–Conical Phase Transition 5.3.4 Passing through the Conical Phase 6 Investigations on GaV4S8 6.1 Observing the Structural Phase Transition 6.1.1 Results from nc-AFM 6.1.2 Results from ct-AFM and PFM 6.2 Observing the Magnetic Phases 6.3 Analysing the Magnetic SDM Images 6.3.1 Theoretical Considerations 6.3.2 Rescaling from the Measured to the Magnetic Hard Plane 6.3.3 Influence of the Surface on the Patterns Observed 6.4 Influence of Structural Domain Walls on Magnetic Patterns 7 Further Investigation on Lacunar Spinels 7.1 Investigations on GaMo4S8 7.1.1 Experimental Results 7.1.2 Theoretical Considerations 7.1.3 Evaluation of the Experimental Data 7.2 Magnetoelectric Effect of Lacunar Spinels 8 Remarks About Magnetic Non-Contact Dissipation 9 Summary and Outlook 9.1 Synopsis 9.2 Outlook – Probing the Future A Permissions For Usage of Content B Some Additional Information on Non-Contact Dissipation C Bonus Images Bibliography Publications Acknowledgements Erklärung

Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit steht die Herstellung ultradünner epitaktischer Galliumnitrid-Schichten auf einem Siliziumkarbid-Substrat mit dem Verfahren der ionenstrahlgestützten Molekularstrahlepitaxie. Für die Analyse der Oberflächentopographie der Galliumnitrid-Schichten direkt nach der Abscheidung – ohne Unterbrechung der Ultrahochvakuum-Bedingungen – wurde ein Rastersondenmikroskop in die Anlage integriert. Als weitere Hauptanalysenmethode wurde die Reflexionsbeugung hochenergetischer Elektronen zur Bestimmung der Oberflächenstrukturen in situ während der Schichtabscheidung eingesetzt. Weiterhin wurden die Galliumnitrid-Schichten hinsichtlich ihrer strukturellen Eigenschaften mittels Röntgenstrahl-Diffraktometrie, Röntgen-Photoelektronenspektroskopie und Transmissionselektronenmikroskopie ex situ charakterisiert. Wesentliches Ziel dieser Arbeit war die Herausstellung des Einflusses maßgeblicher Abscheidungsparameter (vor allem Substrattemperatur und Gallium-Depositionsrate) auf die Schichteigenschaften sowie die Optimierung dieser Wachstumsparameter. Besonderes Augenmerk lag auf der Untersuchung der Auswirkungen des Stickstoffion-zu-Galliumatom-Verhältnisses und des Einflusses der niederenergetischen Ionenbestrahlung auf das Galliumnitrid-Schichtwachstum im Frühstadium. Dies betrifft hauptsächlich den Wachstumsmodus (zwei- oder dreidimensional) und die Bildung der hexagonalen oder der kubischen Phase.

Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit steht die Herstellung ultradünner epitaktischer Galliumnitrid-Schichten auf einem Siliziumkarbid-Substrat mit dem Verfahren der ionenstrahlgestützten Molekularstrahlepitaxie. Für die Analyse der Oberflächentopographie der Galliumnitrid-Schichten direkt nach der Abscheidung – ohne Unterbrechung der Ultrahochvakuum-Bedingungen – wurde ein Rastersondenmikroskop in die Anlage integriert. Als weitere Hauptanalysenmethode wurde die Reflexionsbeugung hochenergetischer Elektronen zur Bestimmung der Oberflächenstrukturen in situ während der Schichtabscheidung eingesetzt. Weiterhin wurden die Galliumnitrid-Schichten hinsichtlich ihrer strukturellen Eigenschaften mittels Röntgenstrahl-Diffraktometrie, Röntgen-Photoelektronenspektroskopie und Transmissionselektronenmikroskopie ex situ charakterisiert. Wesentliches Ziel dieser Arbeit war die Herausstellung des Einflusses maßgeblicher Abscheidungsparameter (vor allem Substrattemperatur und Gallium-Depositionsrate) auf die Schichteigenschaften sowie die Optimierung dieser Wachstumsparameter. Besonderes Augenmerk lag auf der Untersuchung der Auswirkungen des Stickstoffion-zu-Galliumatom-Verhältnisses und des Einflusses der niederenergetischen Ionenbestrahlung auf das Galliumnitrid-Schichtwachstum im Frühstadium. Dies betrifft hauptsächlich den Wachstumsmodus (zwei- oder dreidimensional) und die Bildung der hexagonalen oder der kubischen Phase.:Kapitel 1 1 Einführung 1 Kapitel 2 5 Grundlagen 5 2.1 Kristallstruktur und Eigenschaften von Galliumnitrid 5 2.2 Wechselwirkung niederenergetischer Ionen mit der Oberfläche 8 2.2.1 Energiefenster für die optimale ionenstrahlgestützte Epitaxie 9 2.3 Einfluss der Teilchenenergie auf die Oberflächenmobilität 11 2.3.1 Strukturzonenmodelle 11 2.3.2 Thermisch induzierte Oberflächenmobilität 13 2.3.3 Ballistisch induzierte Oberflächenmobilität 14 2.4 Herstellungsverfahren 15 2.4.1 Metallorganische Gasphasenepitaxie 15 2.4.2 Molekularstrahlepitaxie 16 2.4.3 Ionenstrahlgestützte Molekularstrahlepitaxie 17 2.5. Schichtwachstum 18 2.5.1 Frühstadium des Wachstums 18 2.5.2 Wachstumsmodi 20 2.5.3 Wachstum an Stufen 21 2.5.4 Ionenstrahlgestütztes GaN-Wachstum 23 2.6 Modellsystem GaN auf 6H-SiC 25 2.6.1 Epitaxiebeziehungen von GaN-Schicht und 6H-SiC(0001)-Substrat 25 2.6.2 Schichtspannungen 28 Kapitel 3 32 Experimentelle Bedingungen 32 3.1 Experimenteller Aufbau 32 3.1.1 UHV-Anlage zur ionenstrahlgestützten Abscheidung 32 3.1.2 Gallium-Effusionszelle 33 3.1.3 Stickstoff-Hohlanoden-Ionenquelle 34 3.1.4 RHEED-System 35 3.1.5 UHV-STM 37 3.2 Probenherstellung 40 3.2.1 Vorbehandlung 40 3.2.2 Abscheide- und Ionenstrahlparameter 41 3.3 Charakterisierung 43 3.3.1 Kristallographische Struktur 44 Reflexionsbeugung hochenergetischer Elektronen 44 Röntgenstrahl-Diffraktometrie 49 Röntgenstrahl-Reflektometrie 52 Transmissionselektronenmikroskopie 53 3.3.2 Oberflächentopographie 54 Rastertunnelmikroskopie 54 Rasterelektronenmikroskopie 56 3.3.3 Chemische Zusammensetzung 57 Röntgen-Photoelektronenspektroskopie 57 Kapitel 4 59 Ergebnisse und Diskussion 59 4.1 GaN-Wachstum auf 6H-SiC(0001) bei Variation des Ion/Atom-Verhältnisses 59 4.1.1 Oberflächenstruktur und Oberflächentopographie 59 4.1.2 Kristallographische Struktur und chemische Zusammensetzung 63 4.1.3 Diskussion: Einfluss des I/A-Verhältnisses 70 4.2 Inselwachstum: Oberflächenstruktur und Oberflächentopographie 74 4.2.1 Einfluss des I/A-Verhältnisses 75 4.2.2 Einfluss der Substrattemperatur 75 4.2.3 Einfluss der Depositionsdauer 78 4.2.4 Diskussion: Einfluss von I/A-Verhältnis, Depositionsdauer und Substrattemperatur auf die Oberflächentopographie der 3D-GaN-Schichten 82 4.3 Inselwachstum: Kristallographische Struktur und Morphologie 84 4.3.1 Morphologie der inselförmigen GaN-Schichten 84 4.3.2 Gitteranpassung und mechanische Spannungen 86 4.3.3 Diskussion: Kubisches GaN und Spannungsaufbau 88 4.4 Zweidimensionales Schichtwachstum: Oberflächenstruktur und Oberflächentopographie 90 4.4.1 Einfluss des I/A-Verhältnisses 90 4.4.2 Oberflächentopographie ultradünner 2D-Schichten 93 4.4.3 Einfluss der Depositionsdauer 96 4.4.4 Einfluss der Substrattemperatur 99 4.4.5 Diskussion: Einfluss von I/A-Verhältnis, Depositionsdauer und Substrattemperatur auf die Oberflächentopographie der 2D-GaN-Schichten 102 4.5 Zweidimensionales Schichtwachstum: Kristallographie und Morphologie 106 4.5.1 Einfluss des I/A-Verhältnisses 106 4.5.2 Einfluss der Depositionsdauer 107 4.5.3 Einfluss der Substrattemperatur 109 4.5.4 Morphologie und Gitterfehlanpassung 112 4.5.5 Koaleszenz von Inseln im Anfangswachstum 116 4.5.6 Diskussion: Einfluss von I/A-Verhältnis, Depositionsdauer und Substrattemperatur auf Struktur und Morphologie der 2D-GaN-Schichten 119 4.6 Moduswechsel von 3D- zu 2D-Wachstum bei sequenzieller Abscheidung unter Verringerung des I/A-Verhältnisses 124 Kapitel 5 128 Zusammenfassung und Ausblick 129 Anhang A 134 Anhang B 136 Literaturverzeichnis 137 Danksagung 145 Veröffentlichungen 146 Lebenslauf des Autors 147 Selbständigkeitserklärung 148