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Hochauflösende mikroskopische und spektroskopische Untersuchungen zur strukturellen Ordnung an MgO-CoFeB-Grenzflächen

dc.contributor.advisorSeibt, Michael Prof. Dr.
dc.contributor.authorSchuhmann, Henning
dc.date.accessioned2014-11-04T10:38:17Z
dc.date.available2014-11-04T10:38:17Z
dc.date.issued2014-11-04
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-0023-9929-2
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.53846/goediss-4759
dc.description.abstractTunnelmagnetowiderstandselemente (MTJ) mit einer kristallinen MgO Tunnelbarriere zwischen amorphen CoFeB-Elektroden haben Aufgrund ihres hohen Tunnelmagnetowiderstandes (TMR) und der guten Integrationsmöglichkeit in bestehende Prozesse viel Aufmerksamkeit bekommen. Dabei zeigten vorherige Berechnungen, dass die strukturellen und chemischen Eigenschaften der Grenzfläche einen signifikanten Einfluss auf den TMR aufweisen, weshalb diese Grenzfläche im Rahmen dieser Arbeit mittels quantitativer, hochauflösender und analytischer Transmissionselektronenmikroskopie analysiert wurde. Um einen hohen TMR in die diesen Systemen zu erzielen ist ein kristalliner Übergang zwischen der Tunnelbarriere und den Elektroden notwendig. Berechnungen zeigten, dass bereits wenige Monolagen kristallinen Materials an der Grenzfläche ausreichen, um einen hohen TMR in diesen Systemen zu erzielen. Ausgehend von diesen Berechnungen wurde die Mikrostruktur auf der Subnanometer-Skala an der kristallin/amorphen Grenzfläche von MgO-CoFeB in dieser Arbeit untersucht. Die experimentellen Daten wurden hierfür mittels aberrationskorrigierter, hochauflösender Transmissionselektronenmikroskopie (HRTEM) an Modellsystemproben erstellt und die vom MgO induzierte kristalline Ordnung an der Grenzfläche zum CoFeB mittels iterativen Bildserienvergleichs mit simulierten Daten quantifiziert. Zur Simulation der HRTEM-Grenzflächenabbildungen wurde die „Averaged-Projected-Potential“-Näherung genutzt, welche im Rahmen dieser Arbeit um die Berücksichtigung von monoatomaren Stufen entlang der Strahlrichtung des Mikroskops erweitert wurde. Es zeigte sich, dass mit dieser Methode die Ordnung an der MgO-CoFeB-Grenzfläche von nicht ausgelagerten Systemen gut beschrieben werden kann. In ausgelagerten Systemen kommt es dagegen zu einer Bor-diffusion aus dem a-CoFeB heraus um damit eine Kristallisation am MgO zu ermöglichen. Im zweiten Teil dieser Arbeit werden die Bordiffusion und die Kristallisation in Abhängigkeit von der Deckschicht als auch der MgO-Depositionsmethode sowohl an Modellsystemproben als auch an funktionsfähigen MTJs untersucht. Elektronen-Energie-Verlustspektroskopie (EELS) an diesen Proben konnten zeigen, dass sowohl die Deckschicht also auch die MgO-Depositionsmethode einen entscheidenden Einfluss auf die Bor-Diffusion in diesen Systemen ausüben.de
dc.language.isodeude
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/
dc.subject.ddc530de
dc.titleHochauflösende mikroskopische und spektroskopische Untersuchungen zur strukturellen Ordnung an MgO-CoFeB-Grenzflächende
dc.typedoctoralThesisde
dc.title.translatedHigh resolution microscopic und spectroscopic investigations of structural ordering at MgO-CoFeB interfacede
dc.contributor.refereeSeibt, Michael Prof. Dr.
dc.date.examination2014-10-22
dc.subject.gokPhysik (PPN621336750)de
dc.description.abstractengMagnetic tunnel junctions (MTJ), with crystalline MgO tunnel barrier sandwiched between amorphous CoFeB electrodes, received much attention due to their high tunnel magneto resistance (TMR) and flexible integration into mass-production processes. Previous calculations showed that the structural and chemical properties of the interface have a significant impact on the TMR. In the thesis presented here, this interface is analyzed by quantitative, high resolution and analytical transmission electron microscopy. In these systems, it is essential to have a crystalline transition zone between the tunnel barrier and the electrodes in order to achive high TMR. Calculations showed that already several monolayers of crystalline material at the interface will lead to high TMR. Based on these theoretical works, the microstructure of the crystalline/amorphous MgO/CoFeB-interface is investigated on the sub-nanometer scale. The experimental data is acquired by aberration-corrected, high resolution transmission electron microscopy (HRTEM) on a model system. The MgO-induced crystalline order at the interface to the CoFeB is quantified by an iterative image series matching process using simulated HRTEM-images. For the simulation of HRTEM interface images, the “averaged-projected-potential” approach is used and extended in order to analyze monoatomic steps at the interface in beam direction of the microscope. It could be demonstrated that this method is very suitable to describe the order at the MgO-CoFeB-interface of non-annealed samples. In annealed samples, boron diffusion leads to crystallization of CoFeB using the MgO as a template. In the second part of this thesis, the boron diffusion and crystallization of the CoFeB in dependence on the cap layer material and the MgO deposition method in model systems, as well as in functional MTJs is investigated. Electron energy loss spectroscopy (EELS) showed that the cap layer material as well as the MgO deposition method have a crucial influence on the boron-diffusion in this material.de
dc.contributor.coRefereeJooß, Christian Prof. Dr.
dc.subject.gerGrenzflächende
dc.subject.gerMgO-CoFeBde
dc.subject.gerTunnelmagnetowiderständede
dc.subject.gerMikrostrukturde
dc.subject.gerBor-Diffusionde
dc.subject.gerhochauflösende Transmissionselektronenmikroskopiede
dc.subject.gerTunnelmagnetowiderstandde
dc.subject.geramorphde
dc.subject.gerkristallinde
dc.subject.gerVerteilungsfunktionde
dc.subject.enginterfacesde
dc.subject.engMgO-CoFeBde
dc.subject.engmagentic tunnel junctionsde
dc.subject.engmicrostructurede
dc.subject.engboron diffusionde
dc.subject.enghigh resolution transmission electron microscopyde
dc.subject.engbreakdownde
dc.subject.engtunnel magneto resistancede
dc.subject.engamorphousde
dc.subject.engcrystallinede
dc.subject.engdistribution funktionde
dc.identifier.urnurn:nbn:de:gbv:7-11858/00-1735-0000-0023-9929-2-1
dc.affiliation.instituteFakultät für Physikde
dc.identifier.ppn799874493


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