Untersuchung von Schichtsystemen für die magnetooptische Datenspeicherung mit Hilfe der Kerr-Mikroskopie

Untersuchung von Schichtsystemen für die magneto-optische Datenspeicherung mit Hilfe der Kerr-Mikroskopie Dissertation von Stephan Knappmann, Universität Gh Kassel, 2000 Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein modifiziertes Kerr-Mikroskop aufgebaut und für eine neuartige Untersuchungsmethode von gekoppelten magnetischen Schichten angewendet. Damit können Schichtsysteme untersucht werden, bei denen die eine Schicht eine temperaturabhängige Reorientierung der Magnetisierung von in-plane zu senkrecht zeigt. Derartige Schichten sind für zukünftige magnetooptische Speichertechniken interessant, da sie für die magnetisch induzierte Superauflösung (MSR) eingesetzt werden können. Zunächst wurde ein Ganzfeld-Kerr-Mikroskop aufgebaut und durch einen zusätzlichen Strahlengang erweitert. Da die Proben lokal geheizt werden sollten, wurde der Strahl eines Diodenlasers (l = 780 nm) in den Strahlengang eingekoppelt, durch das Mikroskopobjektiv auf die Probe fokussiert und nach der Reflexion vollständig aus dem Strahlengang entfernt. Dies war deshalb wichtig, da Domänenbilder aufgenommen werden sollten, während die Schichten lokal geheizt werden. Mit diesem Aufbau ist es möglich, den magnetooptischen Ausleseprozeß in MSR Systemen mikroskopisch zu simulieren. Dies wurde am Beispiel einer Doppelschicht demonstriert. Dieses Schichtsystem besteht aus einer Speicherschicht mit senkrechter Magnetisierung (TbFeCo) und einer Ausleseschicht mit temperaturabhängiger Reorientierung (GdFeCo). Damit ist dieses Schichtsystem für eine spezielle MSR Technik (CAD-MSR) geeignet. Dabei wird im heißen Bereich des laserinduzierten Temperaturprofils die Information aus der Speicherschicht in die Ausleseschicht kopiert, so daß eine Apertur gebildet wird, die nur von der Temperaturverteilung abhängt. Bei diesem Schichtsystem konnte gezeigt werden, daß sich durch ein Magnetfeld die Aperturwirkung deutlich verbessern läßt. Dieses Ergebnis läßt sich auf alle Schichten übertragen, bei denen die Reorientierung der Magnetisierung durch allmähliche Drehung erfolgt. Die wesentlichen Ergebnisse der Domänenbeobachtungen an der TbFeCo/GdFeCo-Doppelschicht konnten durch Simulationen mit Hilfe eines einfachen Modells bestätigt werden. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit lag in der Untersuchung von Vielfachschichten. Es wurden Tb/Fe-Vielfachschichten mit einer Modulationswellenlänge von 1,5 - 5 nm durch Kathodenzerstäubung hergestellt und magnetisch charakterisiert. Die natürlichen Domänen-strukturen zeigten eine starke Abhängigkeit von dem Verhältnis der Tb- und Fe-Schichtdicken. Die Erklärung kann durch das Wechselspiel von magnetostatischer Energie EMS und Domänenwandenergie EDW gegeben werden. In der Nähe des Kompensationspunktes ist EMS klein und EDW dominiert. Als Folge bilden sich zirkulare Domänen. Mit der Entfernung vom Kompensationspunkt steigt EMS und es wird eine verzweigte Domänenstruktur favorisiert. Thermomagnetische Schreibexperimente an einer ausgewählten Tb/Fe-Vielfachschicht haben ergeben, daß sich bei kleinen Schreib-Magnetfeldern Subdomänenstrukturen ausbilden können. In der Praxis ist ein solcher Subdomänenzustand unerwünscht, da er zu einem erhöhten Ausleserauschen führen würde. Der Effekt läßt sich durch ein höheres Magnetfeld oder eine höhere Kompensationstemperatur (höhere Tb-Konzentration) vermeiden. Schließlich wurde demonstriert, daß nach kleinen Änderungen mit dem Mikroskop Domänen in longitudinaler Konfiguration abgebildet werden können. Da die Kerr-Drehungen hier kleiner sind als im polaren Fall, mußten verschiedene Verfahren der Bildverarbeitung angewendet werden, um den magnetischen Kontrast zu vergrößern. Neben der bekannten Subtraktion eines Referenzbildes wurde ein neues Verfahren zur weiteren Verbesserung der Domänenbilder angewendet, wobei zwei Referenzbilder mit entgegengesetzter Magnetisierung benötigt werden.

Selbstassemblierte Monolagen und magnetisch strukturierte Submonolagen mit dia- und paramagnetischen Molekülen sowie Einzelmolekülmagneten auf Phthalocyanin- und Subphthalocyanin-Basis

Mit dieser Arbeit wurde die Selbstassemblierung von dia- und paramagnetischen Molekülen sowie Einzelmolekülmagneten auf Goldsubstraten und magnetisch strukturierten Substraten untersucht. Dazu wurden drei verschiedene Klassen an Phthalocyaninderivaten verwendet: Diamagnetische Subphthalocyanine, paramagnetische Phthalocyaninatometalle und Diphthalocyaninatolanthanidkomplexe. Alle synthetisierten Verbindungen sind peripher thioethersubstituiert. Die Alkylketten (a: n-C8H17, b: n-C12H25) vermitteln die Löslichkeit in vielen organischen Solventien und sorgen für eine geordnete Assemblierung auf einer Oberfläche, wobei die Bindung auf Gold hauptsächlich über die Schwefelatome stattfindet. Die aus Lösung abgeschiedenen selbstassemblierten Monolagen wurden mit XPS, NEXAFS-Spektroskopie und ToF-SIMS untersucht. Bei der Selbstassemblierung auf magnetisch strukturierten Substraten stehen die Moleküle unter dem Einfluss magnetischer Streufelder und binden bevorzugt nur in bestimmten Bereichen. Die gebildeten Submonolagen wurden zusätzlich mit X-PEEM untersucht. Die erstmals dargestellten Manganphthalocyanine [MnClPc(SR)8] 1 wurden ausgehend von MnCl2 erhalten. Hier fand bei der Aufarbeitung an Luft eine Oxidation zu Mangan(III) statt; +III ist die stabilste Oxidationsstufe von Mangan in Phthalocyaninen. Der Nachweis des axialen Chloridoliganden erfolgte mit Massenspektrometrie und FIR- sowie Raman-Spektroskopie. SQUID-Messungen haben gezeigt, dass die Komplexe 1 vier ungepaarte Elektronen haben. Bei den Subphthalocyaninen [BClSubpc(SR)6] 2 wurde der axiale Chloridoligand mit dem stäbchenförmigen Phenolderivat 29-H substituiert und die erfolgreiche Ligandensubstitution durch NMR- und IR-Spektroskopie sowie Massenspektrometrie an den Produkten [BSubpc(SR)6(29)] 30 belegt. Der Radikalcharakter der synthetisierten Terbiumkomplexe [Tb{Pc(SR)8}2] 3 wurde spektroskopisch nachgewiesen; SQUID-Messungen ergaben, dass es sich um Einzelmolekülmagnete mit einer Energiebarriere U des Doppelpotentialtopfs von 880 K oder 610 cm-1 bei 3a handelt. Zunächst wurden die SAMs der Komplexverbindungen 1, 2, 30 und 3 auf nicht magnetisch strukturierten Goldsubstraten untersucht. Die Manganphthalocyanine 1 bilden geordnete SAMs mit größtenteils flach liegenden Molekülen, wie die XPS-, NEXAFS- und ToF-SIMS-Analyse zeigte. Die Mehrzahl der Thioether-Einheiten ist auf Gold koordiniert und die Alkylketten zeigen ungeordnet von der Oberfläche weg. Bei der Adsorption findet eine Reduktion zu Mangan(II) statt und der axiale Chloridoligand wird abgespalten. Das beruht auf dem sog. Oberflächen-trans-Effekt. Im vorliegenden Fall übt die Metalloberfläche einen stärkeren trans-Effekt als der axiale Ligand aus, was bisher experimentell noch nicht beobachtet wurde. Die thioethersubstituierten Subphthalocyanine 2 und 30 sowie die Diphthalocyaninatoterbium-Komplexe 3 sind ebenfalls für SAMs geeignet. Ihre Monolagen wurden mit XPS und NEXAFS-Spektroskopie untersucht, und trotz einer gewissen Unordnung in den Filmen liegen die Moleküle jeweils im Wesentlichen flach auf der Goldoberfläche. Vermutlich sind bei diesen Systemen auch die Alkylketten größtenteils parallel zur Oberfläche orientiert. Im Gegensatz zu den Manganphthalocyaninen 1 tritt bei 2b, 30a, 30b und 3b neben der koordinativen Bindung der Schwefelatome auf Gold auch eine für Thioether nicht erwartete kovalente Au–S-Bindung auf, die durch C–S-Bindungsbruch unter Abspaltung der Alkylketten ermöglicht wird. Der Anteil, zu dem dieser Prozess stattfindet, scheint nicht mit der Molekülstruktur zu korrelieren. Selbstassemblierte Submonolagen auf magnetisch strukturierten Substraten wurden mit dem diamagnetischen Subphthalocyanin 2b hergestellt. Der Nachweis der Submonolagen war schwierig und gelang schließlich durch eine Kombination von ToF-SIMS, NEXAFS Imaging und X-PEEM. Die Analyse der ToF-SIMS-Daten zeigte, dass tatsächlich eine Modulation der Verteilung der Moleküle auf einem unterwärts magnetisch strukturierten Substrat eintritt. Mit X-PEEM konnte die magnetische Struktur der ferromagnetischen Schicht des Substrats direkt der Verteilung der adsorbierten Moleküle zugeordnet werden. Die Subphthalocyanine 2b adsorbieren nicht an den Domänengrenzen, sondern vermehrt dazwischen. Auf Substraten mit abwechselnd 6.5 und 3.5 µm breiten magnetischen Domänen binden die Moleküle bevorzugt in den Bereichen geringster magnetischer Streufeldgradienten, also den größeren Domänen. Solche Substrate wurden für die ToF-SIMS- und X-PEEM-Messungen verwendet. Bei größeren magnetischen Strukturen mit ca. 400 µm breiten Domänen, wie sie aufgrund der geringeren Ortsauflösung dieser Methode für NEXAFS Imaging eingesetzt wurden, binden die Moleküle dann in allen Domänen. Die diamagnetischen Moleküle werden nach dieser Interpretation aus dem inhomogenen Magnetfeld über der Probenoberfläche heraus gedrängt und verhalten sich analog makroskopischer Diamagnete. Die eindeutige Detektion der Moleküle auf den magnetisch strukturierten Substraten konnte bisher nur für die diamagnetischen Subphthalocyanine 2b erfolgen. Um die Interpretation ihres Verhaltens bei der Selbstassemblierung in einem inhomogenen Magnetfeld weiter voranzutreiben, wurde das Subphthalocyanin 37b dargestellt, welches ein stabiles organisches TEMPO-Radikal in seinem axialen Liganden enthält. Das paramagnetische Subphthalocyanin 37b sollte auf den magnetisch strukturierten Substraten in Regionen starker magnetischer Streufelder binden und damit das entgegengesetzte Verhalten zu den diamagnetischen Subphthalocyaninen 2b zeigen. Aus Zeitgründen konnte dieser Nachweis im Rahmen dieser Arbeit noch nicht erbracht werden.

Adsorption kinetic investigations of phthalocyanine derivatives self assembled monolayers (SAMs) on gold: Temperature influence on the SAM formation process and quality

The ordered nano-structured surfaces, like self-assembled monolayers (SAMs) are of a great scientific interest, due to the low cost, simplicity, and versatility of this method. SAMs found numerous of applications in molecular electronics, biochemistry and optical devices. Phthalocyanine (Pc) complexes are of particular interest for the SAM preparation. These molecules exhibit fascinating physical properties and are chemically and thermally stable. Moreover their complex structure is advantageous for the fabrication of switchable surfaces. In this work the adsorption process of Pcs derivatives, namely, subphthalocyanines (SubPcB) and terbium (2TbPc) sandwich complexes on gold has been investigated. The influence of the molecular concentration, chain length of peripheral groups, and temperature on the film formation process has been examined using a number of techniques. The SAMs formation process has been followed in situ and in real time by means of second harmonic generation (SHG) and surface plasmon resonance (SPR) spectroscopy. To investigate the quality of the SAMs prepared at different temperatures atomic force microscopy (AFM) and X-Ray photoelectron spectroscopy (XPS)measurements were performed. Valuable information about SubPcB and 2TbPc adsorbtion process has been obtained in the frame of this work. The kinetic data, obtained with SHG and SPR, shows the best conformance with the first order Langmuir kinetic model. Comparing SHG and SPR results, it has been found, that the film formation occurs faster than the formation of chemical bonds. Such, the maximum amount of molecules on the surface is reached after 6 min for SubPcB and 30 min for 2TbPc. However, at this time the amount of formed chemicals bonds is only 10% and 40% for SubPcB and 2TbPc, respectively. The most intriguing result, among others, was obtained at T = 2 °C, where the formation of the less dense SAMs have been detected with SHG.However, analyzing XPS and AFM data, it has been revealed, that there is the same amount of molecules on the surface at both temperature T = 2 °C, and T = 21 °C, but the amount of formed chemicals bond is different. At T = 2 °C molecules form aggregates, therefore many of available anchor groups stay unattached.

Luminescence and defect centres in Tb(3+) doped LaMgAl(11)O(19) phosphors

Terbium (Tb) doped LaMgAl(11)O(19) phosphors have been prepared by the combustion of corresponding metal nitrates (oxidizer) and urea (fuel) at furnace temperature as low as 500 C Combustion synthesized powder phosphor was characterized by X-ray diffraction and field emission scanning electron microscopy techniques LaMgAl(11)O(19) doped with trivalent terbium ions emit weakly in blue and orange light region and strongly in green light region when excited by the ultraviolet light of 261 nm Electron Spin Resonance (ESR) studies were carried out to study the defect centres Induced in the phosphor by gamma irradiation and also to identify the defect centres responsible for the thermally stimulated luminescence (TSL) process Room temperature ESR spectrum of irradiated phosphor appears to be a superposition of at least two defect centres One of the centres (centre I) with principal g-values g(parallel to) = 2 0417 and g(perpendicular to) = 2 0041 is identified as O(2)(-) ion while centre II with an axially symmetric g-tensor with principal values g(parallel to) = 19698 and g(perpendicular to) = 1 9653 is assigned to an F(+) centre (singly ionized oxygen vacancy) An additional defect centre is observed during thermal annealing experiments and this centre (assigned to F(+) centre) seems to originate from an F centre (oxygen vacancy with two electrons) The F centre and also the F+ centre appear to correlate with the observed high temperature TSL peak in LaMgAl(11)O(19) Tb phosphor (C) 2010 Elsevier Masson SAS All rights reserved

Luminescence enhancement of the Tb(III) ion with the thenoyltrifluoroacetonate ligand acting as an efficient sensitizer

The synthesis, structural investigation, and photophysical properties of the complex [Tb(TTA)(2)(NO(3)) (TPPO)(2)] are reported. Unlike the analog tris-diketonate complex [Tb(TTA)(3)(TPPO)(2)], the new complex presents abnormally high luminescence intensity centered on the terbium ion. Our results clearly suggest a higher energy transfer efficiency from the TEA antenna ligand to the Tb(III) ion in the bis-diketonate complex compared with that in the tris-diketonate complex. A mechanism involving the increasing of triplet state energy when one TTA ligand is replaced by the NO(3)(-) group in the first coordination sphere is suggested and experimentally investigated to explain the anomalous luminescence properties of the new complex [Tb(TTA)(2)(NO(3))(TPPO)(2)]. (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.

Nanocomposites materials generated from a spray

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Excitation mechanisms and effects of dopant concentration in Gd2O2S : Tb3+ phosphor

Gadolinium oxysulfide powders doped with different Tb3+ concentrations were prepared from sulfur vaporization on rare earths' basic carbonate precursors. Single-phase Gd2O2S samples were obtained, with Tb3+ doping up to 9 at%. The study of the excitation mechanisms revealed that the Tb3+ emission might occur after the direct Tb3+ excitation either by energy transfer from Gd3+ or from the phosphor host. The characteristic terbium emission lines were observed, resulting from the radiative decay from D-5(3) or D-5(4), to F-7(j) levels. The cross-relaxation phenomenon was observed and its effects on the materials emission color were discussed based on the CIE diagram. By using time-resolved spectroscopy, D-5(3) -> F-7(J) and D-5(4) -> F-7(J) transitions were separated. (c) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

Structural and optical properties of GdAlO3:RE3+ (RE = Eu or Tb) prepared by the Pechini method for application as X-ray phosphors

In this work, GdAlO3:RE3+ (RE = Eu or Tb) was successfully prepared by the Pechini method at lower temperatures when compared to others methods as solid-state synthesis and sol-gel process. In accordance to the XRD data, the fully crystalline single-phase GdAlO3 could be obtained at 900 degrees C. The differential thermal analysis (DTA) shows a crystallization peak at 850 degrees C. The samples are composed by monocrystalline particles (50-120 nm) exhibiting the formation of aggregates among them, which indicates the beginning of the sinterization process. This feature indicates a strong tendency to the formation of aggregates, which is a suitable ability for the close-packing of particles, and hence a potential application in X-ray intensifying screens. Luminescence measurements indicate Gd3+ -> RE3+ energy transfer. The Eu3+ emission spectra exhibit all the characteristics D-5(0) -> F-7(j) transitions and the observed profile suggests that RE3+ ions occupy at least one site without center of symmetry. For terbium-doped samples, the D-5(3) -> F-7(j) (blue emission) and D-5(4) -> F-7(j) (green emission) transitions were observed and the ratio between them may depend on the Tb3+ content due to cross-relaxation processes. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

Thermal studies of solid 4-chlorobenzylidenepyruvates of heavy lanthanides(III) and yttrium(III)

Solid-state compounds of general formula LnL(3).2H(2)O, where Ln is heavier trivalent lanthanides and yttrium, L is 4-chlorobenzylidenepyruvate have been synthetised.On heating these compounds decompose in steps. They lose the hydration water in the first step and the thermal decomposition of the anhydrous compounds occurs with the formation of oxochloride (Eu, Gd); mixture of oxide and oxochloride that decrease with increasing of atomic number of metal (Tb-Tm); or oxide (Yb, Lu, Y) as final residue, up to 900degreesC. The dehydration enthalpies found for terbium, holmium, ytterbium and yttrium compounds were: 34.93, 42.40, 57.39 and 62.24 kJ mol(-1), respectively.

Upconversion luminescence in Ho3+/Yb3+- and Tb3+/Yb3+-codoped fluorogermanate glass and glass ceramic

Energy-transfer excited upconversion luminescence in Ho3+/Yb3+- and Tb3+/Yb3+ -codoped PbGeO3-PbF2-CdF2 glass and glass-ceramic under infrared excitation is investigated. In Ho3+/Yb3+-codoped samples, green (545 nm), red (652 nm), and near-infrared (754 nm) upconversion emission corresponding to the S-5(2) (F-5(4)) -> I-5(8), F-5(5) -> I-5(8), and S-5(2)(F-5(4)) -> I-5(7) transitions, respectively, was observed. Blue (490 nm) emission assigned to the F-5(2,3) -> I-5(8) transition was also detected. In the Tb3+/Yb3+-codoped system, bright UV-visible emission around 384, 415, 438, 473-490, 545, 587, and 623 nm, identified as due to the D-5(3)((5)G(6)) -> F-7(J)(J = 6, 5, 4) and D-5(4) -> F-7(J)(J = 6, 5, 4, 3) transitions, was measured. The comparison of the upconversion process in glass ceramic and its glassy precursor revealed that the former samples present much higher upconversion efficiencies. The dependence of the upconversion emission upon pump power, and doping contents was also examined. The results indicated that successive energy-transfer between ytterbium and holmium ions and cooperative energy-transfer between ytterbium and terbium ions followed by excited-state absorption are the dominant upconversion excitation mechanisms herein involved. The viability of using the samples for three-dimensional solid-state color displays is also discussed. (c) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

Synthesis, characterization and thermal behaviour of solid-state tartrates of heavy trivalent lanthanides and yttrium(III)

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Enhanced luminescence of Tb3+/Eu3+ doped tellurium oxide glass containing silver nanostructures

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Spectroscopic study of lanthanide squarate hydrates

In the present investigation some spectroscopic properties of several lanthanide squarate hydrates are reported. The Raman spectra show the same distinctive Jahn-Teller intensity pattern for non-totally symmetric modes, as previously observed for the free anion. In the case of the terbium salt, the Tb3+ emission is very intense even at room temperature, revealing an efficient excitation via the ligand electronic levels. The Tb3+ dilution in Gd3+ or La3+ hosts increases this excitation efficiency without any appreciable variation in the 5D4 excited-state lifetime. However, the Eu3+ emission is very weak, with excited states located above the 5D2 level (ca. 21 550 cm-1) being completely quenched at room temperature. At lower temperatures higher-lying levels are not so efficiently quenched. The broad band observed in the UV excitation spectra of Eu3+ and Tb3+ is easily assigned to an intra-ligand transition leading to ligand-to-lanthanide ion energy transfer processes. As observed for Tb3+, Eu3+ dilution in Gd3+ or La3+ hosts also increases the relative emission intensity mediated by the ligand, without variation in the 5D0 excited-state lifetime. The Eu3+ 5D0 excitation spectra show vibronic structures that can be interpreted on the basis of the data available from the vibrational spectra. An increase in the vibronic intensities is observed as the lanthanide concentration is increased. © 1994.

Study of the binding of Eu3+ and Tb3+ to L-phenylalanine and L-tryptophan

Trivalent europium and terbium ions have ionic radii similar to that of Ca2+. So they are employed as probes of calcium binding sites in biological molecules. These ions exhibit very useful spectroscopic characteristics, chiefly a pronounced luminescence. In protein bound lanthanide, visible light emission from the lanthanide excited states can be observed when UV light is absorbed by aromatic amino acids. Subsequently, the energy is transferred to the lanthanide ion. The present work was carried out to define the binding sites of Eu3+ and Tb3+ in complexes with the aromatic amino acids L-phenylalanine and L-tryptophan. The techniques utilized were infrared and C nuclear magnetic resonance spectroscopies. It was found that trivalent europium and terbium interact with the carboxylate group of both amino acids. With L-tryptophan, the imino group of the indole ring is also involved representing another coordination site.

Phonon-assisted cooperative energy transfer and frequency upconversion in a Yb3+/Tb3+ codoped fluoroindate glass

Phonon-assisted cooperative energy transfer and frequency upconversion (UC) in Yb3+/Tb3+ codoped fluoroindate glass were investigated. Anti-Stokes quasiresonant excitation of Yb3+ ions was used to study the influence of multiphonon transitions in the UC process. A rate equation model was used to describe the temperature dependence of the UC emission intensities and the theoretical results are in good agreement with the experimental data.