Methoden
Jede Forschungsseite ist um die Frage herum geschrieben, die das jeweilige Projekt gestellt hat. Diese Seite ist die Schicht darunter: was gebaut, abgeschieden, strukturiert, gemessen und protokolliert werden muss, bevor sich eine dieser Fragen beantworten lässt, und für welches Projekt jeder Teil gebaut wurde.
Jede Forschungsseite ist um die Frage herum geschrieben, die das jeweilige Projekt gestellt hat. Diese Seite ist die Schicht darunter: was gebaut, abgeschieden, strukturiert, gemessen und protokolliert werden muss, bevor sich eine dieser Fragen beantworten lässt, und für welches Projekt jeder Teil gebaut wurde.
Die Bauelemente herstellen
Exfoliation und Dry-Transfer-Stapeln. Volumenkristalle, geliefert von Kooperationspartnern aus der Kristallzucht, werden mechanisch oder mit Polymer zu dünnen Flocken exfoliert und per Polymer-Dry-Transfer in einer Glovebox zu Heterostrukturen gestapelt, da jeder hier verwendete Antiferromagnet an Luft degradiert. Ich habe den Polymer-Dry-Transfer, den die Untergruppe nutzt, mit aufgebaut und optimiert und den automatisierten Transferaufbau für verdrehte Stapel mit umgesetzt. Eingesetzt in allen drei veröffentlichten Exchange-Bias-Systemen und im Magnon-Spinventil.
Lithografie. Optische Lithografie an einem Mask Aligner und einem Laserschreiber für die Ebene der Kontaktpads, Elektronenstrahllithografie für die Bauelementgeometrie. Die Rezepte für die optische Lithografie dieser Stapel habe ich optimiert. Der Lack wird durch Veraschen im Sauerstoffplasma entfernt.
Ätzen und Abscheiden. Ionenstrahlätzen zur Strukturierung. Sputterdeposition von Platin und von Goldkontakten, in der Glovebox, wo der Stapel darunter luftempfindlich ist. Die Molekularstrahlepitaxie-Sitzungen für Platin auf CrPS4 liefen gemeinsam mit dem MBE-Operator der Gruppe, nicht von mir allein.
Grenzflächenrouten. Für das System Pt/CrPS4 wurde die Grenzfläche entlang zweier konkurrierender Routen charakterisiert: Platin auf eine exfolierte Flocke abgeschieden, und eine Flocke auf vorab abgeschiedenes Platin transferiert, jeweils unter mehreren Abscheide- und Transferbedingungen. Dieser Vergleich hat das Rezept festgelegt, nach dem die Magnon-Spinventile bis heute gebaut werden.
Sie prüfen
REM und EDX im eigenen Haus. Jedes gefertigte Bauelement wird strukturell und auf seine Zusammensetzung geprüft, bevor es in eine Messkampagne geht. Ich habe das als Standardschritt bei der Übergabe eingeführt, weil externe Mikroskopietermine immer wieder zum Engpass wurden.
Strukturelle und chemische Charakterisierung. Rasterkraftmikroskopie für Schichtdicke und Oberflächenqualität, Raman-Spektroskopie an einzelnen Kristallen und am fertigen Stapel.
Externe Metrologiekampagnen. FIB-REM, STEM und STEM-EELS für die Grenzflächen, Lorentz-STEM und Off-Axis-Elektronenholografie für die magnetische Struktur, alles in Zusammenarbeit mit dem Forschungszentrum Jülich. Mein Teil war die Planung: was geschnitten wird, wo, welches Gerät welche Frage beantwortet und wie das in die Gerätezeiten des Partners passt. Die holografische Induktionskarte auf der Seite zum orthogonalen Exchange Bias stammt aus einer dieser Kampagnen.
Magnetometrie. SQUID-Magnetometrie für die Hysterese des Volumens und die Exchange-Bias-Verschiebung, NV-Zentren-Magnetometrie für die Streufeldabbildung einzelner Domänen.
Sie messen
Kryogener Transport. Magnetowiderstands- und Hall-Messungen bei Flüssighelium-Temperatur, an einem supraleitenden 12-T-Magneten und an einem Vektorkryostaten. Den Messablauf für den Spin-Hall-Magnetowiderstand am 12-T-Magneten habe ich während des Jahres als Gastwissenschaftler in den Routinebetrieb gebracht, zusammen mit der Python-Routine, die den SMR-Beitrag von den konkurrierenden Transporteffekten im selben Signal trennt.
Hochohmige Messkette. Tunnelkontakte mit isolierender Barriere liegen bei Widerständen, bei denen die Verkabelung und nicht das Bauelement bestimmt, was sich messen lässt. Kabelqualifizierung per Zeitbereichsreflektometrie an einem vektoriellen Netzwerkanalysator, Erdung an einem einzigen Punkt und durchgehende Schirmung machen einen Bias-Sweep an diesen Bauelementen belastbar. Gebaut für die Studie zum Magnetowiderstand in CrSBr und heute Standard der Untergruppe für hochohmige Van-der-Waals-Kontakte.
Sie protokollieren
Gerätesteuerung. CryoSoft steuert die kryogenen Messplätze: Gerätewechsel über die Konfiguration, automatisierte Sweeps, die 20 bis 30 Stunden ohne Aufsicht laufen, mit in der Software durchgesetzten Sicherheitsgrenzen, und ein vollständiger Gerätezustand, der zu jedem Datenpunkt mitgeschrieben wird.
Daten und Metadaten. Eine HDF5-Datei pro Messung, mit den Metadaten der Messung und einem Abbild jedes Geräts in der Kette für jeden Sweep-Punkt, sodass sich ein Messartefakt auf den Zustand des Aufbaus zurückführen lässt, der es erzeugt hat.
Analyse. Ein eigenständiges Python-Repository pro veröffentlichter Publikation, mit einem einzigen Befehl installierbar, in dem sich jede Abbildung aus den Rohdaten neu erzeugen lässt. Die drei Exchange-Bias-Repositories sind auf ihren Forschungsseiten verlinkt.