Untersuchung von feldinduzierten Verspannungen in magnetoelektrischen Kompositmaterialien mit Röntgenstreumethoden

Koops, Christian Torsten

Die elastische Kopplung an den Grenzflächen in magnetoelektrischen Kompositmaterialien, bestehend aus einer magnetostriktiven und einer piezoelektrischen Komponente, ist von großer Bedeutung für die Optimierung des magnetoelektrischen Effektes in diesen Systemen. Ein sehr hoher magnetoelektrischer Koeffizient ist notwendig, um derartige Kompositmaterialien als passive Magnetfeldsensoren in medizinischen Anwendungen nutzen zu können. Im Rahmen dieser Arbeit wird die elastische Kopplung an verschiedenen Kompositen mit Röntgenstreumethoden untersucht. Zinkoxid Einkristalle wurden mit einem Magnetron mit FeCoSiB (Metglas) beschichtet. Mit Grazing Incidence Diffraction (GID) kann die durch ein magnetisches Feld an der Grenzfläche induzierte Dehnung bestimmt werden. Auf Grund der geringen Eindringtiefe in GID-Geometrie wird die auf diese Weise gemessene Deformation kaum durch Relaxationen entlang der Grenzflächennormalen beeinflusst. Die geringen Dehnungen der Magnetostriktion von Metglas können auch durch die Messung der Intensität verbotener Reflexe bestimmt werden. In diesem Fall sind die Anforderungen an die Grenz- und Oberflächenqualität deutlich niedriger. Es geht jedoch auch die hohe Tiefenauflösung verloren. Zur Untersuchung von Wachstumseinflüssen auf die induzierte Dehnung in piezoelektrischen Substraten wurde eine in Situ Depositionskammer entwickelt und aufgebaut, die direkt am Synchrotronmessplatz verwendet werden kann. Zinkoxid und Indiumphosphid wurden mit Nickel beschichtet. Die durch ein Magnetfeld induzierte Deformation im Substrat wurde bei verschiedenen Schichtdicken mit GID bestimmt. Dabei wurde festgestellt, dass eine Erhöhung der Schichtdicke über 80 nm hinaus die induzierte Dehnung nicht erhöht. Die Relaxation im Substrat ist zudem sehr langreichweitig. Die Variationsmöglichkeiten der Eindringtiefe in GID-Geometrie sind für ein vollständiges Tiefenprofil nicht ausreichend. Epitaktische Komposite ermöglichen die Untersuchung beider Komponenten und damit eine direkte Bestimmung der elastischen Kopplung. Die Grenzflächenkopplung bei spannungsinduzierten Deformationen in PMN-PT/CFO-Kompositen hat sich dabei als unvollständig herausgestellt. Sie betrug lediglich 86,5% +- 6,4%. Die dünne CFO-Schicht besteht aus vielen keinen Kristalliten, an deren Grenze ein Teil der Deformation relaxiert. Das Piezoelektrikum könnte auch durch ein Material mit einem Metall-Isolator-Übergang, der durch die Deformation getrieben werden kann, ersetzt werden. VO2 erfüllt dieses Kriterium. Die Untersuchung des Phasenübergangs in Abhängigkeit der Wachstumsrichtung zeigte einen großen Einfluss der Substratklemmung, die darauf schließen lässt, dass die Wachstumsrichtung die Sensitivität eines möglichen Sensors deutlich beeinflussen kann.

The elastic coupling at the interface of magnetoelectric composites, consisting of a magnetostrictive and a piezoelectric component, is of great interest for the optimization of the magnetoelectric effect in such systems. A very high magnetoelectric coefficient is necessary to achieve the high sensitivities needed for medical sensor applications. Investigations of the elastic coupling in various composites with X-ray diffraction methods is presented in this work. In a first study FeCoSiB (Metglas) was deposited on top of Zinc Oxide single crystals by magnetron sputtering. The magnetic field induced strain was measured with Grazing Incidence Diffraction (GID). Because of the low penetration depth in this geometry, the scattering signal originates from a volume close to the interface. Hence, relaxations along the surface normal do not play a major role. The uniaxial deformation of a single crystalline substrate by a magnetostrictive layer can also be calculated from the increasing intensity of forbidden reflections. This experiment does not make the same great demands on interface and surface quality as GID. However, the depth resolution is strongly reduced. An in Situ deposition chamber, which can be used directly at the synchrotron, was developed and built to investigate the influence of growth conditions on the induced strain in a piezoelectric substrate. Nickel was deposited on top of Zinc Oxide and Indium Phosphide single crystals. The magnetic field induced deformation in the substrate was was measured for several layer thicknesses in GID geometry. The results show that increasing the layer thickness above 80 nm does not increase the induced deformation. Hence, very low layer thicknesses seem to be sufficient, whereas the depth relaxation occurs on a long range scale which cannot be reached in GID geometry. In epitaxial composites it is possible to investigate the substrate and the layer in parallel. Thus, a direct determination of the elastic coupling is possible. The interface coupling for voltage induced deformations in PMN-PT/CFO composites was measured to be just 86,5% +- 6,4%. The thin CFO layer consists of small grains. A part of the strain can relax in the boundary between these individual crystallites. It is also possible to replace the piezoelectric component by a material which exhibits a strain driven metal insulator transition. VO2 is such a material. The investigation of the phase transition for different VO2 growth directions revealed a large influence of substrate clamping, which clearly indicates the significance of the growth direction onto the sensitivity of future magnetic field sensors.

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Koops, Christian Torsten: Untersuchung von feldinduzierten Verspannungen in magnetoelektrischen Kompositmaterialien mit Röntgenstreumethoden.

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