Properties of magnetic thin film devices cannot be understood without detailed knowledge of their structure. For this purpose, a variety of thin film and multilayer systems have been studied. Both reciprocal space (low energy electron diffraction, reflection high energy electron diffraction, X-ray diffraction and reflectometry) and direct space (transmission electron microscopy) as well as Rutherford backscattering spectrometry have been applied. To gain understanding of an oxidation procedure for the growth of magnetite layers, thermal stability of iron layers on molybdenum seed layers has been investigated. Following the mosaicity and the out-of-plane coherence length over different ratios between the constituting layers allowed a deeper understanding of the limits of metallic superlattices. This, together with an approach to use hydrogen in the process gas during magnetron sputter epitaxy, opens routes for the growth of metallic superlattices of superior quality. A non-isostructural multilayer/superlattice system, Fe/MgO, has been investigated. In turn, this gave more understanding how superlattice diffraction patterns are suppressed by strain fields. As an alternative route to single-crystalline superlattices, amorphous multilayers present interesting opportunities. In this context, crystallization effects of iron/zirconium layers on alumiunium oxide were studied. Understanding these effects enables significant improvement in the quality of amorphous multilayers, and allows avoiding these, growing truly amorphous layers. Both the substantial improvement in quality of metallic superlattices, approaching true single-crystallinity, as well as the improvements in the growth of amorphous multilayers give rise to opportunities in the field of magnetic coupling and superconducting spin valves.

Le masque des tubes cathodiques est un élément déterminant pour la qualité de l'image d'un téléviseur. Le masque est une grille de fer (Fe) oxydée sous forme de magnétite (Fe3O4). Le bombardement électronique subi par le masque génère des gradients de température. Il s'en suit une déformation du masque. L'image perd alors en contraste et en brillance. L'étude a porté sur la détermination, l'élaboration et la caractérisation d'une couche mince limitant ce gradient de température. Le matériau choisi pour cette couche protectrice est le tungstène (W) associé au fer (Fe) sous sa forme oxyde de fer : Fe3O4. Le tungstène est un matériau réfractaire avec un haut coefficient de rétrodiffusion des électrons. De plus, la magnétite possède un bon coefficient d'émissivité thermique. Ces deux propriétés sont essentielles pour éviter la déformation due au gradient de température. L'étude a porté sur les dépôts de couches minces (système bicouche) Fe3O4/W mais aussi alliage Fe-W sur substrat de Fe (matériau du masque). Les dépôts ont été réalisés par pulvérisation magnétron au moyen d'un générateur à décharge continue (pulsée ou non) avec ou sans l'assistance d'un plasma auxiliaire radiofréquence créé par une antenne interne. Pour tenter d'obtenir une couche mince de Fe3O4, nous avons étudié les oxydations ex-situ après dépôts ainsi qu'in-situ pendant ou après dépôts (en les comparant entre elles). Les caractérisations ont concerné l'étude de la structure (microscopie électronique, diffraction des rayons X), l'adhérence (test scotch et diffraction X sous traction), la composition (Spectroscopie de Rétrodiffusion Rutherford et Analyse par Réaction Nucléaire) et la mesure des propriétés optiques infrarouge et thermiques.

Die Bildung von CoSi$_2$-Schichten mittels TIME-Verfahren (TIME: Ti-Interlayer Mediated Epitaxy) wurde untersucht. Dabei wurde die Ti-Zwischenschicht durch eine Hf-Zwischenschicht ersetzt. Der Einfluss der Prozessparameter (Tempertemperatur, Temperzeit, Aufheizrate und Ausgangsschichtdicken) und des Metalls (Hf, Ti, Zr) der Zwischenschicht auf die Reaktion der metallischen Doppelschichten mit Si(100) wurde ermittelt. Zur Charakterisierung der Proben wurden RBS-, TEM-, XRD- und AES-Untersuchungen durchgefuehrt. Die Ausbildung eines Mehrschichtsystems nach der Temperung der Doppelschichten in Abhaengigkeit der Prozessparameter wird dargestellt. Es wird gezeigt, dass die Prozessparameter die Temperatur bestimmen, bei der die CoSi$_2$-Keimbildung stattfindet. Anhand dieser Untersuchungen wird nachgewiesen, dass sich mit Erhoehung der CoSi$_2$-Keimbildungstemperatur die epitaktische Qualitaet der gebildeten CoSi$_2$-Schicht verbessert. Die Erklaerung des Reaktionsablaufs der metallischen Doppelschichten mit Si(100) erfolgt anhand eines aufgestellten Reaktionsschemas. Zur Entfernung der Deckschicht wurden verschiedene Aetzverfahren angewandt und deren Wirkung verglichen. / The formation of a CoSi$_2$ layer by solid phase reaction of metallic bilayer with Si (TIME: Ti-Interlayer Mediated Epitaxy) was investigated. In this work the Ti was replaced by Hf. The influence of the annealing temperature, the annealing time, the heating rate and the thicknesses of the metallic layers on the reaction of the bilayer with Si was determined. The samples were characterised by Rutherford-backscattering (RBS), Transmission-Electron-Microscopy (TEM), X-ray-Diffraction and Auger-Electron-Spectroscopy (AES) studies. During the annealing of the samples a system of layers is formed. It was shown, that the annealing parameters and the thicknesses of the layer determine the temperature, on which the nucleation of CoSi$_2$ occurs. A decrease of this nucleation temperature leads to an improvement of the quality of the epitaxial CoSi$_2$ layer. A model of reaction is presented, which explains the reaction of the metallic bilayer with Si. The removal of the top layer by several etching procedures was investigated and the results were compared.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden erste Untersuchungen zur Herstellung dünner NiSi(2-x)Al(x)- bzw. NiSi(2-x)Ga(x)-Schichten auf Si(001) erbracht. Dazu wurden Ni-Si-Al-Schichten mittels DC-Magnetron-Sputtern sowie Ni-Si-Ga-Schichten mittels Molekular-Strahl-Epitaxie (MBE) abgeschieden und anschließend in Abhängigkeit von der Herstellungsprozedur in einer RTA-Anlage thermisch behandelt. Die so entstandenen Reaktionsschichten wurden anschließend mittels RBS charakterisiert, wobei zusätzlich REM-, TEM-, AES-Tiefenprofil- und XRD-Untersuchungen ergänzend genutzt wurden. Es zeigt sich, dass unabhängig von der Abscheideprozedur bei ausreichend hoher Temper- bzw. Substrattemperatur die thermodynamisch stabilen Endphasen NiSi(2-x)Al(x) bzw. NiSi(2-x)Ga(x) gebildet werden. Während die Bildungstemperatur bei Festphasenreaktionen ohne Al- bzw. Ga-Zugabe für NiSi2 etwa 700°C beträgt, reduziert sich diese unter Anwesenheit von Al- bzw. Ga-Atomen auf 500°C und darunter. Dabei scheinen bereits eine Al- bzw. Ga-Konzentration von unter einem Atomprozent als notwendiger Stoffmengenanteil auszureichen. Befindet sich der Ort der Keimbildung der NiSi(2-x)Al(x)- bzw. NiSi(2-x)Ga(x)-Kristallite an der Grenzfläche zum Si(001)-Substrat, so ist eine Änderung der bevorzugten Wachstumsorientierung von NiSi(2-x)Al(x)(001)[100] || Si(001)[100] bzw. NiSi(2-x)Ga(x)(001)[100] || Si(001)[100] (A-Typ) zu einer NiSi(2-x)Al(x)(220) || Si(001)- bzw. NiSi(2-x)Ga(x)(220) || Si(001)-Vorzugsorientierung festzustellen. Die dafür notwendige Konzentration von Al- bzw. Ga-Atomen scheint jedoch höher zu sein als die, die für die Erniedrigung der Bildungstemperatur notwendig ist.

Neste trabalho foram estudadas as propriedades magnéticas e estruturais de filmes ultrafinos de Fe, Co e Ni produzidos por eletrodeposição sobre substratos de Au(111). Os estágios iniciais de crescimento dos filmes foram estudados por técnicas de caracterização “in-situ”. Uma nova técnica de caracterização do estado magnético de filmes ultrafinos eletrodepositados (EC-AGFM) foi utilizada, mostrando-se uma poderosa ferramenta para o estudo das propriedades magnéticas dos filmes. Outras técnicas, como STM “in-situ”, PMOKE “in-situ”, EXAFS, XRD, RBS foram utilizadas. A análise dos dados revelaram resultados diferentes para os filmes de Fe e Co/Au(111), em comparação aos filmes de Ni/Au(111). Enquanto a anisotropia magnética perpendicular (PMA) foi observada para os filmes de Fe e Co/Au(111), não foi observada para os filmes de Ni/Au(111). Os resultados são interpretados em termos das contribuições para a anisotropia magnética dos filmes. No caso do níquel, a degradação de suas propriedades magnéticas são atribuídas à incorporação de hidrogênio durante a deposição. Os resultados das análises magnética e estrutural são correlacionados a fim de compreender o comportamento das propriedades observadas. Os resultados são comparados aos obtidos por técnicas em vácuo.

No presente trabalho estudamos de forma sistemática a difusão de impurezas em filmes poliméricos usando as técnicas de implantação iônica e análise por feixe de íons, retroespalhamento Rutherford e de perfil de profundidade por nêutrons. Com este propósito foram implantadas e realizadas medidas em diferentes intervalos de temperatura para diferentes sistemas como (Au, Ag) no fotoresiste AZ1350, (Bi, Eu, Er, B) no fotoresiste S1813 e (Xe, Kr) no termoplástico Poliestireno. Como resultado mostrou-se que para implantações em baixas energias e fluências Au, Ag seguem uma difusão regular. Os valores obtidos para os parâmetros de difusão são semelhantes indicando assim um mecanismo de difusão verdadeiramente atômico. É mostrado também que com o aumento da fluência, devido aos danos gerados pelo processo de implantação, átomos são aprisionados na região implantada levando a um mecanismo de difusão por aprisionamento e liberação. Contudo, mostrou-se que a energia de ativação indica que este processo de difusão ainda é de caráter atômico. Da análise dos valores de D observamos um efeito de massa associado onde D(T)Au < D(T)Ag, pois a massa de Ag é duas vezes menor que a de Au. Para os elementos como Bi, Eu e Er, considerados quimicamente mais ativos que Au, não foram observados efeitos de possíveis ligações químicas nestes sistemas. Valores de energia de ativação de Bi apresentaram-se próximos aos de Au para as fluências de implantação aplicadas, o mesmo ocorrendo para a difusão de Er e Eu. O B mostrou que depois de implantado difunde durante ou imediatamente após a implantação. Difusão esta dada na presença de armadilhas saturáveis induzidas por radiação, indo além da difusão térmica, por ordem de magnitude de ≈10-12, contra ≈10-13 cm2s-1, respectivamente. Quanto a Xe e Kr, observou-se que estes também difundem durante ou imediatamente após a implantação, e que a fração do gás retido no pico depende da fluência implantada. Implantações em baixa temperatura (80 K) e posteriores análises foram determinados in situ por RBS na faixa de 80 a 300 K. Verificou-se que a difusão segue um perfil regular. Em cada caso mostrou-se que a dependência dos valores de D como função da temperatura segue um comportamento tipo Arrhenius, com valores de energia de ativação para os metais (Au, Ag, Bi) entre 580 e 680 meV, para os lantanídeos (Er, Eu) valores entre 525 a 530 meV, para o semi-metal (B) 100 meV, e finalmente para os gases nobres Kr e Xe entre 40 e 67 meV.

Neste trabalho estuda-se a formação de novas fases de carbono amorfo através da irradiação iônica de filmes de fulereno, a-C e a-C:H polimérico. Os efeitos da irradiação iônica na modificação das propriedades ópticas e mecânicas dos filmes de carbono irradiados são analisados de forma correlacionada com as alterações estruturais a nivel atômico. O estudo envolve tanto a análise dos danos induzidos no fulereno pela irradiação iônica a baixas fluências, correspondendo a baixas densidades de energia depositada, quanto a investigação das propriedades físico-químicas das fases amorfas obtidas após irradiações dos filmes de fulereno, a-C e a-C:H com altas densidades de energia depositada. As propriedades ópticas, mecânicas e estruturais das amostras são analisadas através de técnicas de espectroscopia Raman e infravermelho, espectrofotometria UV-VIS-NIR, microscopias ópticas e de força atômica, nanoindentação e técnicas de análise por feixe de íons, tais como retroespalhamento Rutherford e análises por reação nuclear. As irradiações produzem profundas modificações nas amostras de fulereno, a-C e a-C:H, e por conseqüência significativas alterações em suas propriedades ópticas e mecânicas. Após máximas fluências de irradiação fases amorfas rígidas (com dureza de 14 e 17 GPa) e com baixos gaps ópticos (0,2 e 0,5 eV) são formadas. Estas estruturas não usuais correspondem a arranjos atômicos com 90 a 100% de estados sp2. Em geral fases sp2 são planares e apresentam baixa dureza, como predito pelo modelo de “cluster”. Entretanto, os resultados experimentais mostram que as propriedades elásticas das novas fases formadas são alcançadas através da criação de uma estrutura sp2 tridimensional. A indução de altas distorções angulares, através da irradiação iônica, possibilita a formação de anéis de carbono não hexagonais, tais como pentágonos e heptágonos, permitindo assim a curvatura da estrutura. Utilizando um modelo de contagem de vínculos é feita uma análise comparativa entre a topologia (estrutura geométrica) de ligações C-sp2 e as propriedades nanomecânicas. São comparados os efeitos de estruturas sp2 planares e tridimensionais (aleatórias) no processo de contagem de vínculos e, conseqüentemente, nas propriedades elásticas de cada sistema. Os resultados mostram que as boas propriedades mecânicas das novas fases de carbono formadas seguem as predições do modelo de vínculos para uma rede atômica sp2 tridimensional. A formação de uma fase amorfa dura e 100% sp2 representa uma importante conquista na procura de novas estruturas rígidas de carbono. A síntese da estrutura desordenada sp2 tridimensional e vinculada aqui apresentada é bastante incomum na literatura. O presente trabalho mostra que o processo de não-equilíbrio de deposição de energia durante a irradiação iônica permite a formação de distorções angulares nas ligações sp2-C, possibilitando a criação de estruturas grafíticas tridimensionais. / The formation of new carbon amorphous phases through the ion irradiation of fullerene, a-C and polymeric a-C:H films is presented. The ion irradiation effects on the optical and mechanical properties modifications of the irradiated carbon films are analysed and correlated with the structural alterations at the atomic level. This study involves the analysis of the induced damages in C60 by the ion irradiation at low fluences, corresponding to low deposited energy densities, as well as the investigation of the physical and chemical properties in the amorphous phases obtained after irradiation of three carbon films, with high deposited energy densities. The optical, mechanical and structural properties of the samples are analysed through the Raman and FTIR spectroscopy, AFM, nanoindentation and ion beam analysis technniques such as Rutherford backscattering and nuclear reaction analysis. The irradiation produces deep modifications on the C60, a-C and a-C:H films, and, as a consequence, significant alterations in their optical and mechanical properties. After high fluences of irradiation, rigid amorphous phases with hardness of 14-17 GPa and with low optical gaps of 0,2 to 0,5 eV are produced. These unusual structures correspond to atomic arrangements with 90 to 100% of sp2 phases. In general, sp2 phases are organized in planar form and show low hardness, as predicted by the cluster model. However, the experimental results show that the elastic properties of the produced new phases are due to the creation of a three-dimensional sp2 structure. The generated high bond angle distortions by the ion irradiation induces the formation of non hexagonal carbon rings, such as pentagons and heptagons, allowing therefore the formation of curved sp2 structures. A comparative analysis between the C-sp2 bonds topology (geometric structure) and the nanomechanic properties is made using a constraint-counting model. The effect of the flat and three-dimensional (aleatory) sp2 structures on the counting of the constraints and consequently on the elastic properties of each system are analysed. The results show that the improved mechanical properties of the newly produced carbon phases follow the predictions of the constraint-counting model for an atomic three-dimensional sp2 network. The formation of a hard and 100% amorphous phase represents an important conquest in the search of new rigid carbon structures. The synthesis of a three-dimensional and constrainted sp2 disordered structure presented here is uncommon in the literature. Our work shows that the non-equilibrium process of energy deposition during ion irradiation allows the formation of angular distortions on the sp2-C bonds, making the creation of three-dimensional graphite structures possible.

Usando a técnica de Retroespalhamento Rutherford (RBS). no presente trabalho medimos a perda de energia e a flutuação estatística da perda de energia (straggling) como função da energia para íons de Li em alvos de silicio amorfo. Através do método dos marcadores. com amostras produzidas por implantação iônica e por epitaxia de feixe molecular,o poder de freamento foi medido em um intervalo de energia entre 250keV e 9MeV enquanto que o straggling foi determinado em um intervalo que foi de 450keV a 3MeV. Os resultados experimentais foram comparados com medidas prévias e com cálculos semi-empiricos realizados por Ziegler. Biersack e Littmark e por Konac et el., sendo encontrado um razoável acordo teórico-experimental. Foram também realizados cálculos baseados nos modelos teóricos de Aproximação por Convolução Perturbativa (PCA) e Aproximação por Convolução Unitária (UCA) propostos por Grande e Schiwielz O modelo PCA apresentou resultados aceitáveis para energias acima de 6MeV enquanto que os valores apresentados pelo divergem dos valores experimentais para energias abaixo de 2MeV. As medidas de straggling quando comparados com as predições da teoria de Bohr mostraram discrepâncias que foram entre 20% e 60%. Cálculos feitos com a aproximação para encontros binários (BEA) usando-se a secção de choque de Thompsom e a secção de choque proposta no trabalho de Vriens foram comparados com as medidas experimentais. Os resultados usando-se a secção de choque de Thompsom divergem por até 50%, enquanto que os valores calculados a secção de choque proposta por Vriens mostram uma concordância razoável para energias abaixo de 1MeV.

Filmes finos de Fe-Zr na geometria de multicamadas foram tratados termicamente variando-se a temperatura (350ºC e 500ºC) e o tempo de tratamento (10min a 72h). As fases formadas por Reação de Estado Sólido (RES) em multicamadas com três composições totais diferentes (Fe0.67Zr0.33, Fe0.50Zr0.50, Fe0.33Zr0.67) foram analisadas por espectroscopia de retroespalhamento de Rutherford, difratometria de raios-X e espectroscopia Mössbauer. Verificou-se que a primeira fase formada é sempre uma fase amorfa de composição aproximada 50%at Fe. A fração Mössbauer desta fase, em função do tempo de tratamento térmico a 350ºC, foi traçada para as três composições. Também foram identificadas as fases cristalinas Fe2Zr e FeZr3. A seqüência de fases formadas revelou depender da composição da multicamada como-depositada e também da temperatura de tratamento. O diagrama esquemático de Energia Livre de Gibbs foi proposto de forma a comportar os resultados experimentais. Um modelo de crescimento planar de fases reagidas na interface de pares de reação foi aplicado às condições do crescimento multifásico observadas no presente trabalho.

O sulfeto de cádmio (CdS) é um semicondutor calcogeneto do tipo II-VI com band gap direto de 2,4 eV. Desperta interesse acadêmico e tecnológico na confecção de dispositivos optoeletrônicos e células solares e vem sendo considerado para a fabricação de transistores de filme fino sobre substratos flexíveis. Para que haja avanços nessa área em especial, a construção de transistores a efeito de campo dos tipos P e N em CdS é preciso compreender e controlar a resistividade desse material. Neste trabalho produzimos filmes finos de CdS com cerca de 100 a 500 nm de espessura utilizando a técnica de ablação a laser pulsado (PLD) em 20 a 90 mTorr de argônio. Os filmes foram depositados sobre carbono vítreo, folha de cobre, SiO 2 e poli(tereftalato de etila) (PET). Foram caracterizados por espectrometria de retroespalhamento Rutherford (composição química), difração de raios X (microestrutura), espectroscopia de absorção de raios X (ordem local), fotoluminescência (estados eletrônicos) e medições Van der Pauw e Hall (resistividade, concentração de portadores de carga e mobilidade). Verificamos que há deficiência de enxofre nos filmes depositados nas pressões mais baixas, o que é explicado pelo efeito de self-sputtering durante a PLD. Há incorporação de oxigênio; ao que tudo indica, ele é proveniente do alvo utilizado na deposição dos filmes. Identificamos a estrutura cristalina hexagonal e estimamos tamanho de cristalito em torno de 30 nm. Nas medidas elétricas foi observado comportamento tipo N e diminuição da resistividade (aumento na concentração de portadores de carga) proporcional à carência de enxofre. O band gap verificado é 2,9 eV (devido ao oxigênio). Resistividade, concentração de portadores de carga e mobilidade situaram-se nos intervalos 10-1-104 Ω cm, 1019-1013 cm-3 e 2-12 cm2 V-1 s-1, respectivamente. O conjunto desses resultados confirma a relevância de defeitos pontuais e oxigênio nas propriedades elétricas de CdS e mostra que é possível, pelo menos em parte, controlar o comportamento elétrico a partir da pressão de deposição empregada em PLD. / Cadmium sul de (CdS) is a II-VI, chalcogenide semicondutor that features a direct band gap of 2,4 eV. It is currently used in optoelectronic devices and solar cells and has been considered for the fabrication of thin lm transistors on exible substrates. Development in this area in particular, the availability of both N- and P-type eld e ect transistors on CdS requires understanding and control of electrical resistivity. In this work thin CdS lms (ca. 100 to 500 nm-thick) were deposited by pulsed laser deposition (PLD) in 20 to 90 mTorr of argon. The lms were deposited on glassy carbon, copper foil, SiO2, and polyethylene terephthalate (PET). They were characterized by Rutherford backscattering spectrometry (chemical composition), x-ray di raction (microstructure), x-ray absorption spectroscoy (local order), photoluminescence (electronic states), and Van der Pauw and Hall measurements (resistivity, carrier concentration, and mobility). We observed excess cadmium in the lms deposited at the lowest pressures, which is explained by the self-sputtering e ect during PLD. There is incorporation of oxygen, presumably from the CdS target. We identi ed only the hexagonal phase of CdS and estimated the crystallite size as ca. 30 nm. Electrical characterization showed N-type behavior and decreasing resistivity (increasing charge carrier concentration) proprtional to the excess of cadmium in the lms. The measured band gap was 2,9 eV (due to the presence of oxygen). Resistivity, charge carrier concentration, and mobility were in the range 10-1-104 cm, 1019-1013 Ω cm-3, and 2-12 cm2 V-1 s-1, respectively. These results con rm the relevance of point defects and oxygen in the electrical properties of CdS and show that it is possible to control electrical response through the deposition pressure in PLD.