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KOBRA - Dokumentenserver der Universität Kassel  → Fachbereiche  → FB 10 / Mathematik und Naturwissenschaften  → Institut für Physik  → Experimentalphysik IV - Dünne Schichten und Synchrotronstrahlung  → Dissertationen 

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Title: Bestimmung der magnetischen Streufeldstärke von künstlichen magnetischen Domänen austauschverschobener Dünnschichtsysteme und deren Einfluss auf die Selbstassemblierung organischer Moleküle
Authors: Ahrend, Florian Heinrich
???metadata.dc.subject.swd???: Dünne SchichtMagnetfeldSelbstassemblierungMagnetische Anisotropie
???metadata.dc.subject.ddc???: 500 - Naturwissenschaften (Natural sciences and mathematics)530 - Physik (Physics)
Issue Date: 16-Nov-2015
Abstract: Die lokale Anlagerung molekularer Substanzen auf Oberflächen ist technologisch von großem Interesse. Die Beeinflussung selbstassemblierender Materialien bietet dabei große Vorteile, da sie kostengünstig und großflächig angewendet werden kann. Untersuchungen einer solchen Beeinflussung mithilfe von magnetischen Feldern wurden bisher jedoch noch nicht durchgeführt. Ursache hierfür ist das, insbesondere bei der Verwendung von diamagnetischen Substanzen, geringe induzierte magnetische Moment und die daraus resultierenden geringen magnetischen Kräfte. In der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, ob es möglich ist, die lokale Anlagerung von selbstassemblierenden, diamagnetischen Substanzen durch die Verwendung von magnetischen Streufeldern zu beeinflussen und somit ein Schichtwachstum bevorzugt in gewünschten Bereichen eines Substrats zu erreichen. Es wurde ein austauschverschobenes Dünnschichtsystem über das Verfahren der ionenbeschuss-induzierten magnetischen Strukturierung mit einem künstlichen Domänenmuster in streifenförmiger Anordnung im Mikrometermaßstab erzeugt. Über experimentelle Untersuchungen wurden die aus diesem Schichtsystem austretenden magnetischen Streufelder erstmals quantifiziert. Die experimentell unvermeidbaren Mittelungen und technischen Limitierungen wurden mithilfe eines theoretischen Modells herausgerechnet, sodass letztlich die resultierende Magnetfeldlandschaft in allen drei Dimensionen über der Probenoberfläche erhalten wurde. Durch die Bestimmung der magnetischen Suszeptibilitäten der hier verwendeten thioethersubstituierten Subphthalocyanin-Derivate konnte somit die Berechnung der induzierten magnetischen Kräfte erfolgen, deren Vergleich mit Literaturwerten eine erfolgreiche Beeinflussung der Anlagerung dieser Substanzen erhoffen ließ. Aufgrund der Kombination diverser, anspruchsvoller Nachweisverfahren konnte der experimentelle Beweis für die erfolgreiche Positionierung der molekularen Substanzen durch die magnetischen Streufelder des Dünnschichtsystems erbracht werden. Zunächst wurde nachgewiesen, dass sich die Subphthalocyanin-Derivate auf der Probenoberfläche befinden und in einer mit der Periode der magnetischen Domänenstruktur korrelierenden Geometrie anlagern. Über Untersuchungen an Synchrotronstrahlungsquellen konnte die magnetische Streifenstruktur mit der Struktur der angelagerten Moleküle überlagert werden, sodass bekannt wurde, dass sich die Moleküle bevorzugt in den magnetisch begünstigten Bereichen anlagern. Um mögliche Einflüsse einer eventuell durch den magnetischen Strukturierungsprozess lokal modifizierten Substratoberfläche als Ursache für die lokale Molekülanlagerung ausschließen zu können, wurden zusätzliche Referenzmessungen durchgeführt. Alle Untersuchungen zeigen, dass die Molekülpositionierung auf der Wechselwirkung der diamagnetischen Substanzen mit den Streufeldern des Substrats zurückzuführen ist. Der im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Mechanismus der magnetischen Beeinflussung der lokalen Molekülanlagerung besagt dabei, dass insbesondere die Oberflächendiffusion der selbstassemblierenden Substanz durch die in-plane-Magnetfeldkomponente beeinflusst wird und vermutlich die Nukleationsphase der Selbstassemblierung entscheidend für die lokale Materialabscheidung ist. Es konnte in dieser Arbeit somit gezeigt werden, dass eine Beeinflussung der Selbstassemblierung von diamagnetischen Subphthalocyanin-Derivaten und somit eine lokal bevorzugte Anlagerung dieser Substanzen durch magnetische Streufelder von magnetisch strukturierten austauschverschobenen Dünnschichtsystemen erreicht werden kann. Es resultiert somit eine neue Möglichkeit die technologisch wichtigen Selbstassemblierungsprozesse nun auch über magnetische Streufelder beeinflussen und kontrollieren zu können. Durch die hohe Flexibilität bei den Strukturierungsmöglichkeiten der magnetischen Domänengeometrien der hier verwendeten austauschverschobenen Dünnschichtsysteme resultieren aus den hier gezeigten Ergebnissen vielfältige Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der Beschichtungstechnik.The local deposition of molecular substances on surfaces is of great interest in the field of technology. To influence the self-assembly of these substances is advantageous, since it is a cheap way to generate large area coverages. However, until now there have not been any investigations into influencing the local growth of self-assembling molecules via external magnetic fields. Especially diamagnetic materials have such low induced magnetic moments that the resulting magnetic forces were previously thought to be too weak to have an influence. Thus, the aim of this work is to investigate the possibilities of influencing the local deposition of self-assembling diamagnetic substances by the means of magnetic fields. An exchange biased thin film system was magnetically structured by ion bombardment induced magnetic patterning, leading to artificial magnetic stripe domains within the micrometer range. Using experimental investigations the resulting magnetic stray fields of such a system were quantified for the very first time. The experimental averages and limitations were eliminated with the help of a theoretical model, thus the three dimensional distribution of the magnetic stray field landscape above the sample surface could be calculated. Additionally the magnetic susceptibilities of the thioether substituted subphthalocyanines, studied in this work, were determined, so that the resulting energy and force landscape for the molecules in the stray fields are known. A comparison of the obtained values with the literature revealed a potential positive influence of magnetic fields on the local deposition. By the combination of several sophisticated experimental methods proof of the local deposition of molecular substances by magnetic stray fields is given. First it is shown that the subphthalocyanine derivatives bind to the surface and arrange in a striped pattern, whose periodicity matches the magnetic structure. Using synchrotron radiation based measurements a correlation between the molecular and the magnetic pattern was achieved, revealing that the molecules attach preferentially in the magnetically stabilized areas. To exclude influences of a possible locally modified surface structure due to the magnetic patterning process, additional reference measurements were carried out. Overall, the results confirmed the magnetic origin of the preferred deposition of the molecules in certain areas of the sample surface. The mechanism, developed within this study, claims that the crucially influenced step of the local molecule deposition is the nucleation period of the self-assembly process. Therefore it is possible to influence the local deposition of diamagnetic, self-assembling subphthalocyanine-derivatives by the use of magnetically structured exchange biased thin film systems. A new method to influence and control the technological important self-assembly processes is given. In combination with the high flexibility of the magnetic structures of the exchange biased thin film systems manifold applications in the area of surface coverages appear.
URI: urn:nbn:de:hebis:34-2015111649345
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