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In the last years, there is a rise of interest in investigation and fabrication of nanometer sized magnetic structures due to their various applications (e.g. for data storage or micro sensors). Over the last several decades ion beam implantation became an important tool for the modification of materials and in particular for the manipulation of magnetic properties. Nanopatterning and implantation can be done simultaneously using focused-ion beam (FIB) techniques. FIB implantation and standard ion implantation differ in their beam current densities by 7 orders of magnitude. This difference can strongly influence the structural and magnetic properties, e.g. due to a rise of the local temperature in the sample during ion implantation. In previous investigations both types of implantation techniques were studied separately. The aim of the current research was to compare both implantation techniques in terms of structural changes and changes in magnetic properties using the same material system. Moreover, to separate any possible annealing effects from implantation ones, the influence of temperature on the structural and magnetic properties were additionally investigated. For the current study a model material system which is widely used for industrial applications was chosen: a 50 nm thick non-ordered nano-crystalline permalloy (Ni81Fe19) film grown on a SiO2 buffer layer based onto a (100)-oriented Si substrate. The permalloy films were implanted with a 30 keV Ga+ ion beam; and also a series of as-deposited permalloy films were annealed in an ultra-high vacuum (UHV) chamber. Several investigation techniques were applied to study the film structure and composition, and were mostly based on non-destructive X-ray investigation techniques, which are the primary focus of this work. Besides X-ray diffraction (XRD), providing the long-range order crystal structural information, extended X-ray absorption fine structure (EXAFS) measurements to probe the local structure were performed. Moreover, the film thickness, surface roughness, and interface roughness were obtained from the X-ray reflectivity (XRR) measurements. Additionally cross-sectional transmission electron microscope (XTEM) imaging was used for local structural characterizations. The Ga depth distribution of the samples implanted with a standard ion implanter was measured by the use of Auger electron spectroscopy (AES) and Rutherford backscattering (RBS), and was compared with theoretical TRIDYN calculation. The magnetic properties were characterized via polar magneto-optic Kerr effect (MOKE) measurements at room temperature. It was shown that both implantation techniques lead to a further material crystallization of the partially amorphous permalloy material (i.e. to an increase of the amount of the crystalline material), to a crystallite growth and to a material texturing towards the (111) direction. For low ion fluences a strong increase of the amount of the crystalline material was observed, while for high ion fluences this rise is much weaker. At low ion fluences XTEM images show small isolated crystallites, while for high ones the crystallites start to grow through the entire film. The EXAFS analysis shows that both Ni and Ga atom surroundings have a perfect near-order coordination corresponding to an fcc symmetry. The lattice parameter for both implantation techniques increases with increasing ion fluence according to the same linear law. The lattice parameters obtained from the EXAFS measurements for both implantation types are in a good agreement with the results obtained from the XRD measurements. Grazing incidence XRD (GIXRD) measurements of the samples implanted with a standard ion implanter show an increasing value of microstrain with increasing ion fluence (i.e. the lattice parameter variation is increasing with fluence). Both types of implantation result in an increase of the surface and the interface roughness and demonstrate a decrease of the saturation polarization with increasing ion fluence. From the obtained results it follows that FIB and standard ion implantation influence structure and magnetic properties in a similar way: both lead to a material crystallization, crystallite growth, texturing and decrease of the saturation polarization with increasing ion fluence. A further crystallization of the highly defective nano-crystalline material can be simply understood as a result of exchange processes induced by the energy transferred to the system during the ion implantation. The decrease of the saturation polarization of the implanted samples is mainly attributed to the simple presence of the Ga atoms on the lattice sites of the permalloy film itself. For the annealed samples more complex results were found. The corresponding results can be separated into two temperature regimes: into low (≤400°C) and high (>400°C) temperatures. Similar to the implanted samples, annealing results in a material crystallization with large crystallites growing through the entire film and in a material texturing towards the (111) direction. The EXAFS analysis shows a perfect near-order coordination corresponding to an fcc symmetry. The lattice parameter of the annealed samples slightly decreases at low annealing temperatures, reaches its minimum at about ~400°C and slightly rises at higher ones. From the GIXRD measurements it can be observed that the permalloy material at temperatures above >400°C reaches its strain-free state. On the other hand, the film roughness increases with increasing annealing temperature and a de-wetting of the film is observed at high annealing temperatures. Regardless of the material crystallization and texturing, the samples annealed at low temperatures demonstrate no change in saturation polarization, while at high temperatures a rise by approximately ~15% at 800°C was observed. The rise of the saturation polarization at high annealing temperatures is attributed to the de-wetting effect.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den Auswirkungen der Ionenimplantation auf die Materialeigenschaften verschiedener magnetischer Probensysteme. Durch die Implantation mit Ionen kann man auf vielfältige Art und Weise die Eigenschaften von magnetischen Materialien modifizieren und maßschneidern, so zum Beispiel die Sättigungsmagnetisierung und die magnetische Anisotropie. Aus der Untersuchung von drei verschiedenen Probensystemen ergibt sich die Dreigliederung des Ergebnisteils. Im ersten Teil der Arbeit, dem Hauptteil, wird die Strukturierung von Permalloyschichten durch Ionen und der Einfluss auf den anisotropen Magnetowiderstand (AMR) untersucht. Der AMR ist direkt abhängig von der Ausrichtung der Magnetisierung eines Materials zum angelegten Strom. Um die Magnetisierungsrichtung sichtbar zu machen wurde ein Kerrmikroskop benutzt. Dieses wurde im Rahmen dieser Arbeit technisch erweitert um gleichzeitig auch den AMR messen zu können. Damit war es erstmalig möglich den AMR und die magnetischen Domänenkonfigurationen direkt zu vergleichen. Durch eine weitere Modifikation des Kerrmikrosops ist es möglich quantitative Bilder eines kompletten Ummagnetisierungsvorganges zu messen. Es konnte gezeigt werden, dass der berechnete AMR des Bildausschnittes mit dem gemessenen übereinstimmt. Der AMR ist abhängig von der Streifenbreite, der Streifenausrichtung zum Strom, der Stärke der induzierten Anisotropie, dem angelegten Feldwinkel und der Sättigungsmagnetisierung. Im Fall von schmalen Streifen führt das zweistufige Schalten zu einem AMR-Maximum, wenn die Streifen mit der niedrigeren Sättigungsmagnetisierung geschaltet haben. Das Zusammensetzen der Streifenstruktur ermöglicht es den AMR gezielt zu manipulieren. Bei geringer induzierter Anisotropie sind verschiedene komplexe Domänen messbar, welche sich in einem asymmetrischen AMR widerspiegeln. So kann der AMR auf vielfältige Weise manipuliert und deren Abhängigkeit von den magnetischen Domänen mittels Kerrmikroskopie gemessen werden. Im zweiten Teil wurde die Erzeugung eines Anisotropiegradienten durch Ionenimplantation in einem Speichermedium untersucht. Hierbei handelt es sich um eine Kooperation mit Peter Greene (University of California Davis) und Elke Arenholz (Lawrence Berkeley Laboratory). Nachdem die Ionenverteilung in dem Material mit TRIDYN simuliert wurde, erfolgte eine Implantation in die oberen Schichten der Co/Pd Multilagen. Dieses hat eine Veränderung der magnetischen Anisotropie zur Folge. Die Ummagnetisierungskurven sind mit dem polaren magnetooptische Kerreffekt (polaren MOKE) und Vibrationsmagnetometrie vermessen worden. Außerdem fand eine Strukturanalyse mit Röntgenreflektrometrie und Röntgendiffraktometrie statt. Die abschließende Beurteilung des Schaltverhaltens erfolgte durch die Auswertung der Ummagnetisierungskurven erster Ordnung. Es ist uns gelungen die oberen Schichten durch die Implantation weichmagnetisch zu machen. Die darunterliegenden Schichten sind noch hartmagnetisch und das Material zeigt textit{exchange spring} Verhalten. Es erfüllt somit die Voraussetzungen, um als Speichermedium genutzt zu werden. Damit konnte erfolgreich gezeigt werden, dass man mit Ionenimplantation einen Anisotropiegradienten in einem Speichermedium erzeugen kann und dadurch das gewünschte Schaltverhalten erzeugt. Im dritten Teil, in einem Projekt mit Björn Obry (TU Kaiserslautern), geht es um die Erzeugung eines Spinwellenleiters und eines magnonischen Kristalls durch die Ionenimplantation in Permalloy. Zur Herstellung des Spinwellenleiters und des magnonischen Kristalls macht man sich die lokale Reduzierung der Sättigungsmagnetisierung durch die Implantation zu nutze. Es wurden Messungen mit dem polaren MOKE gemacht. Die Spinwellencharakterisierung ist mit dem Brillouin-Lichtstreumikroskop durchgeführt worden. Es war möglich die Ionenimplantation zur Herstellung eines magnonischen Kristalls und eines Spinwellenleiters zu nutzen. Das Verändern von magnetischen Materialeigenschaften durch Implantation eröffnet somit verschiedene Möglichkeiten. Mit Ionenimplantation kann man Permalloy so strukturieren, dass man den AMR gezielt manipulieren kann. Außerdem wurde Ionenimplantation genutzt um einen Anisotropiegradienten in einem Speichermedium zu erzeugen. Durch diesen Anisotropiegradient konnte das Schaltverhalten gezielt modifiziert werden. Mit Hilfe von Ionenimplantation kann man auch ein magnonisches Kristall und einen Spinwellenleiter herstellen. / This thesis deals with magnetic modification of ferromagnetic films by ion implantation, such as induced changes of the magnetic anisotropy and changes in the saturation magnetization. Three different sample structures were investigated. Therefore the result section is divided into three parts. The influence of ion induced magnetic patterning on the anisotropic magnetoresistance (AMR) is investigated in the first part. The AMR directly depends on the angle between the applied current and the magnetization of the material. To investigate this relationship a Kerr microscopy,for observing the magnetic domains was combined with resistance measurements. The measurements were performed on stripe patterned permalloy samples. This is the main part of the thesis. The creation of an anisotropy gradient in a storage media by ion implantation is the topic of the second part. It was a collaborative project with Peter Greene (University of California Davis) and Elke Arenholz (Lawrence Berkeley Laboratory). The goal was to create a magnetic anisotropy gradient by introducing ions in the upper layer of the Co/Pd- multilayer. After TRIDYN simulations of the ion distribution, the implantation was performed and the magnetization curves were measured with polar magneto-optical Kerr effect and vibrating sample magnetometry. In addition to this, structural characterization was carried out by x-ray reflection and x-ray diffraction measurements. For the final determination of the switching behavior first order reversal curves were analyzed. The aim of the third part was to create a spin wave guide and a magnonic crystal by local ion implantation. In this project with Björn Obry (TU Kaiserslautern) the characteristic of the ions to reduce the saturation magnetization in permalloy was used and the effect on the spin wave propagation was analyzed. Polar MOKE was performed to determine the saturation magnetization. Brillouin light scattering microscopy was used to analyze the spin wave behavior inside the material.

Thema dieser Arbeit ist eine experimentelle Untersuchung zur Verbesserung der tribologischen Eigenschaften von Hartmetallen auf der Basis von Wolframkarbid– Kobalt unter Benutzung von Ionen–Implantation in Kombination mit den hierbei auftretenden Struktur– und Phasen–Änderungen. Die vorliegende Arbeit unterscheidet sich von allen anderen bisherigen Arbeiten besonders durch (1.) die detaillierte Analyse der mikroskopischen Veränderungen und durch (2.) deren Verknüpfung mit der Änderung der tribologischen Eigenschaften des Materials.

In Silizium-Nanokristall-Speichern werden im Gate-Oxid eines Feldeffekttransistors eingebettete Silizium Nanokristalle genutzt, um Elektronen lokal zu speichern. Die gespeicherte Ladung bestimmt dann den Zustand der Speicherzelle. Ein wichtiger Aspekt in der Technologie dieser Speicher ist die Erzeugung der Nanokristalle mit einerwohldefinierten Größenverteilung und einem bestimmten Konzentrationsprofil im Gate-Oxid. In der vorliegenden Arbeit wurde dazu ein sehr flexibler Ansatz untersucht: die thermische Ausheilung von SiO2/SiOx (x < 2) Stapelschichten. Es wurde ein Sputterverfahren entwickelt, das die Abscheidung von SiO2 und SiOx Schichten beliebiger Zusammensetzung erlaubt. Die Bildung der Nanokristalle wurde in Abhängigkeit vom Ausheilregime und der SiOx Zusammensetzung charakterisiert, wobei unter anderem Methoden wie Photolumineszenz, Infrarot-Absorption, spektroskopische Ellipsometrie und Elektronenmikroskopie eingesetzt wurden. Anhand von MOS-Kondensatoren wurden die elektrischen Eigenschaften derart hergestellter Speicherzellen untersucht. Die Funktionalität der durch Sputterverfahren hergestellten Nanokristall-Speicher wurde erfolgreich nachgewiesen. / In silicon nanocrystal memories, electronic charge is discretely stored in isolated silicon nanocrystals embedded in the gate oxide of a field effect transistor. The stored charge determines the state of the memory cell. One important aspect in the technology of silicon nanocrystal memories is the formation of nanocrystals near the SiO2-Si interface, since both, the size distribution and the depth profile of the area density of nanocrystals must be controlled. This work has focussed on the formation of gate oxide stacks with embedded nanocrystals using a very flexible approach: the thermal annealing of SiO2/SiOx (x < 2) stacks. A sputter deposition method allowing to deposit SiO2 and SiOx films of arbitrary composition has been developed and optimized. The formation of Si NC during thermal annealing of SiOX has been investigated experimentally as a function of SiOx composition and annealing regime using techniques such as photoluminescence, infrared absorption, spectral ellipsometry, and electron microscopy. To proof the concept, silicon nanocrystal memory capacitors have been prepared and characterized. The functionality of silicon nanocrystal memory devices based on sputtered gate oxide stacks has been successfully demonstrated.