Open Access

Timo H. Körner

• Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung und Charakterisierung von magnetooptisch aktiven Granatfilmen. Ein typischer Vertreter dieser Materialien ist der ferrimagnetische Yttrium-Eisengranat, dessen Faraday-Effekt durch Dotierung mit Bismuth gesteigert werden kann. Der Bi3Fe5O12-Granat kann allerdings nur auf Substrate, die ebenfalls eine Granatstruktur (z.B. Gd3Ga5O12) vorweisen, abgeschieden werden, da dieser nicht im thermodynamischen Gleichgewicht aufwächst. Um dessen Eigenschaften als eine neue Funktion für mikroelektromechanische Systeme oder für die integrierte Optik zugänglich zu machen, ist jedoch eine Integration auf z.B. Si oder SiO2 wünschenswert. Um dieses Ziel zu erreichen, wird in der vorliegenden Arbeit der Versuch unternommen, magnetooptisch aktive Granatstrukturen mittels Laserablation (PLD) auf technisch relevante Substrate, wie Si, SiO2 oder Quarzglas zu integrieren. Die systematische Optimierung der Depositionsparameter für die Abscheidung und IntegrationDiese Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung und Charakterisierung von magnetooptisch aktiven Granatfilmen. Ein typischer Vertreter dieser Materialien ist der ferrimagnetische Yttrium-Eisengranat, dessen Faraday-Effekt durch Dotierung mit Bismuth gesteigert werden kann. Der Bi3Fe5O12-Granat kann allerdings nur auf Substrate, die ebenfalls eine Granatstruktur (z.B. Gd3Ga5O12) vorweisen, abgeschieden werden, da dieser nicht im thermodynamischen Gleichgewicht aufwächst. Um dessen Eigenschaften als eine neue Funktion für mikroelektromechanische Systeme oder für die integrierte Optik zugänglich zu machen, ist jedoch eine Integration auf z.B. Si oder SiO2 wünschenswert. Um dieses Ziel zu erreichen, wird in der vorliegenden Arbeit der Versuch unternommen, magnetooptisch aktive Granatstrukturen mittels Laserablation (PLD) auf technisch relevante Substrate, wie Si, SiO2 oder Quarzglas zu integrieren. Die systematische Optimierung der Depositionsparameter für die Abscheidung und Integration von Granat-Puffersystemen (Gd3Fe5O12, Y3Al5O12, Y3Fe5O12) auf Nicht-Granat-Substraten (Si-, SiO2-, und MgO) wird ausführlich behandelt. Ein weiterer wesentlicher Bestandteil der Arbeit sind die Granat-Dotierungen. Hierbei wird besonders auf die Auswirkungen der Substitutionen (Bismuth, Neodym, Praseodym, Lanthan, Cer und Erbium) bezüglich struktureller und optischer Änderungen eingegangen. Die synthetisierten Filme werden mittels Röntgendiffraktometrie (XRD), Rasterelektronen-(REM) und Rasterkraftmikroskopie (AFM) und Rutherford-Rückstreu-Spektroskopie (RBS) auf ihre Morphologie hin untersucht. Weiterhin werden die physikalischen Eigenschaften der dünnen Filme betrachtet. Von besonderem Interesse sind hierbei die optische Absorption und die Faraday-Drehung. Außerdem werden die Granatschichten geeigneten Strukturierungsverfahren unterzogen und deren Photolumineszenz (Er-Dotierte Granatstruktur) nachgewiesen. Des Weiteren werden die theoretischen Grundlagen für das Verständnis des Faraday-Effekts erarbeitet und zwei verschiedene Simulationen entwickelt. Mit diesen ist es möglich, aus den Transmissions-Spektren die Brechungsindizes der untersuchten Materialien zu gewinnen und die Faraday-Spektren dünner Schichtsysteme zu simulieren.…
• This dissertation is about the production and characterization of magneto-optical active garnet films. A typical representative of these materials is the ferrimagnetic yttrium-iron garnet whose Faraday effect can be increased by doping with bismuth. However, the thermodynamically instable Bi3Fe5O12 garnet can only be deposited on substrates with a garnet structure (e.g., Gd3Ga5O12). To make his qualities for microelectromechanical systems or integrated optics accessible, integration on e.g. Si or SiO2 is desirable. In the present dissertation the integration of magneto-optical active garnet structures by means of laserablation (PLD) on technically relevant substrates, like Si, SiO2 or quartz glass is studied. The systematic optimization of the deposition parameters for an integration of garnet-buffer systems (Gd3Fe5O12, Y3Al5O12, Y3Fe5O12) on non-garnet substrates (Si-, SiO2-, and MgO) is investigated in detail. Another essential component of the work is garnet doping. The structuralThis dissertation is about the production and characterization of magneto-optical active garnet films. A typical representative of these materials is the ferrimagnetic yttrium-iron garnet whose Faraday effect can be increased by doping with bismuth. However, the thermodynamically instable Bi3Fe5O12 garnet can only be deposited on substrates with a garnet structure (e.g., Gd3Ga5O12). To make his qualities for microelectromechanical systems or integrated optics accessible, integration on e.g. Si or SiO2 is desirable. In the present dissertation the integration of magneto-optical active garnet structures by means of laserablation (PLD) on technically relevant substrates, like Si, SiO2 or quartz glass is studied. The systematic optimization of the deposition parameters for an integration of garnet-buffer systems (Gd3Fe5O12, Y3Al5O12, Y3Fe5O12) on non-garnet substrates (Si-, SiO2-, and MgO) is investigated in detail. Another essential component of the work is garnet doping. The structural and optical changes of the substitutes (bismuth, neodymium, praseodymium, lanthanum, cerium and erbium) are described in detail. The synthesized films are examined by means of X-ray diffraction (XRD), environmental scanning electron microscopy (ESEM), transmission electron microscopy (TEM), atomic force microscopy (AFM) and Rutherford backscattering spectrometry (RBS). In addition the physical properties of the thin films and especially the optical absorption and the Faraday rotation are investigated. Furthermore the garnet films are structured by a laser technique and their photoluminescence is proven (erbium doped garnets). In addition the theory of the Faraday effect is illustrated and two different simulations are developed. So it is possible to determine the refractive indexes from the transmission spectra of the examined materials and to simulate the Faraday spectra of thin multilayer systems.…