Tunnelkontakte mit Heusler-Elektrode: Spinpolarisation von Co 2Cr 0,6Fe 0,4Al und Einfluss der Barriere

Ziel dieser Arbeit ist die Bestimmung der Spinpolarisation von der Heusler-Verbindung Co2Cr0,6Fe0,4Al. Dieses Ziel wurde durch die sorgfältige Präparation von Co2Cr0,6Fe0,4Al basierten Tunnelkontakten realisiert. Tunnelwiderstandsmessungen an Co2Cr0,6Fe0,4Al-basiertenrnTunnelkontakten ergaben einen Tunnelmagnetowiderstand von 101% bei 4 K. DieserrnTunnelmagnetowiderstand legt eine untere Grenze von 67% für die Spinpolarisation von Co2Cr0,6Fe0,4Al fest.rnrnCo2Cr0,6Fe0,4Al ist eine Heusler-Verbindung, der die Eigenschaften eines halbmetallischen Ferromagneten zugeschrieben werden. Ein halbmetallischer Ferromagnet hat an der Fermikante nur Elektronenspinzustände mit einer Polarisation. Als Folge davon können bei einem spinerhaltenden Tunnelprozess nur Elektronen einer Spinrichtung in den halbmetallischen Ferromagneten tunneln. Mit einem magnetischen Feld und einer durch einen Antiferromagneten fixierten Gegenelektrode, können an einem Tunnelkontakt mit einem spinpolarisierten Ferromagneten deshalb zwei Zustände, eine hohe und eine niedrige Tunnelleitfähigkeit, erzeugt werden. Daher finden spinpolarisierte Tunnelkontakte in Form von MRAM in der Datenspeicherung Verwendung. Bislang wurde jedoch keine Verbindung gefunden, der eine Spinpolarisation von 100% experimentell eindeutig nachgewiesen werden konnte. Für Co2Cr0,6Fe0,4Al lagen die höchsten gemessenen Spinpolarisationen um 50%.rnrnTunnelspektroskopie ist eine zuverlässige und anwendungsnahe Methode zur Untersuchung der Spinpolarisation. Inelastische Tunnelprozesse und eine reduzierte Ordnung an Grenzflächen bewirken einen reduzierten Tunnelmagnetowiderstand. Eine symmetriebrechende Barriere, wie amorphes AlOx, ist Voraussetzung für die Anwendung des Jullière-Modells zur Bestimmung der Spinpolarisation. Das Jullière-Modell verknüpft die Spin-aufgespaltenenrnZustandsdichten der Elektroden mit dem Tunnelmagnetowiderstand. Ohne einernsymmetriebrechende Barriere, zum Beispiel mit MgO als Isolatorschicht, können höhere Tunnelmagnetowiderstände erzwungen werden. Ein eindeutiger Rückschluss auf die Spinpolarisation ist dann jedoch nicht mehr möglich. Mit Aluminiumoxid-basierten Barrieren liefert die Anwendung des einfachen Jullière-Modells eine Untergrenze der Spinpolarisation.rnrnUm die Spinpolarisation von Co2Cr0,6Fe0,4Al durch Tunnelspektroskopie zu bestimmen, musste die Präparation der Tunnelkontakte verbessert werden. Dies wurde ermöglicht durch den Anbau einer neuen Sputterkammer mit besseren UHV-Bedingungen an ein bestehendes Präparationscluster. Co2Cr0,6Fe0,4Al wird mit Hilfe von Radiofrequenz-Kathodenzerstäuben deponiert. Die resultierenden Schichten verfügen nach ihrer Deposition über einen höheren Ordnungsgrad und über eine geordnete Oberfläche. Durch eine Magnesium-Pufferschicht war es möglich, auf diese Oberfläche eine homogene amorphe AlOx-Barriere zu deponieren. Als Gegenelektrode wurde CoFe als Ferromagnet mit MnFe als Antiferromagnet gewählt. Diese Gegenelektrode ermöglicht Tunnelmessungen bis hin zu Raumtemperatur.rnrnMit den in dieser Arbeit vorgestellten optimierten Analyse- und Präparationsmethoden ist es möglich, die Untergrenze der Spinpolarisation von Co2Cr0,6Fe0,4Al auf 67% anzuheben. Dies ist der bisher höchste veröffentlichte Wert der Spinpolarisation von Co2Cr0,6Fe0,4Al.rn

The aim of this thesis is the determination of the spin polarization of the Heusler compound Co2Cr0,6Fe0,4Al. To measure the spin polarization, it was necessary to carefully prepare tunneling junctions based on Co2Cr0,6Fe0,4Al. A tunnel magneto resistance of 101% at 4K could be measured. This resistance ration corresponds to 67% as a lower spin polarization limit of Co2Cr0,6Fe0,4Al.rnrnCo2Cr0,6Fe0,4Al is a Heusler compound which is predicted to show the properties of a half metal. A half-metallic ferromagnet has at the Fermi level only electron spin states with a single polarization. Thus only electrons with this spin polarization are able to tunnel in a spin conservating process. By applying a magnetic field to a tunneling junction with a counter electrode fixed by an antiferromagnet, two states of the junctions can be achieved: One with a low and another one with a high conductance. Because of this property, magneticrntunneling junctions are used in storage technology. These devices are called MRAM. However, up to now no compound exists for which experimentally a spin polarization of 100% could be unambiguously proven. The highest previously measured spin polarization of Co2Cr0,6Fe0,4Al amounts to 50%.rnrnTunnel spectroscopy is a reliable method to investigate the spin polarization in a way closely related applications. Inelastic tunnel processes and a reduced order of the interfaces cause a reduced tunnel magneto resistance. A symmetry breaking barrier like amorphous AlOx is necessary for the application of the Jullière model to determine the spin polarization. The model links the spin splitted states of the electrodes with the tunnel magneto resistance.rnWithout a symmetry breaking barrier, like MgO as an insulator layer, higher tunnel magneto resistance can be forced. But a clear conclusion concerning the spin polarization is not possible in this case. Aluminum based barriers and the simple Jullière model give rise to a lower limit of the spin polarization.rnrnTo determine the spin polarization of Co2Cr0,6Fe0,4Al using tunneling spectroscopy it was necessary to improve the preparation of the tunnelling junctions. This could be achieved by building a new chamber with improved UHV conditions. The chamber was connected to an existing preparation cluster. Co2Cr0,6Fe0,4Al was prepared by radio frequency sputtering. The resulting layers showed a higher degree of bulk order and an ordered surface after deposition. A magnesium buffer layer enables the deposition of an amorphous AlOx barrierrnon this Co2Cr0,6Fe0,4Al surface. As a counter electrode CoFe as a ferromagnet with MnFe as an antiferromagnet was chosen. This counter electrode allows tunnel measurements up to room temperature.rnrnThe analysis and preparation methods discussed in this thesis enhanced the lower spin polarization limit to 67%. This is the highest published spin polarization of Co2Cr0,6Fe0,4Al so far.rn