"Design einer CMOS Hochgeschwindigkeits-Kamera und optische Studien der temperaturabhängigen Entwicklung von Ordnung in La_2-2xSr_1+2xMn₂O₇"

"Design of a CMOS High-Speed Camera and optical Studies on Thermal Development of Ordering in La_2-2xSr_1+2xMn₂O₇"

Kurzfassung

Die Entwicklung des ersten Hochgeschwindigkeits-Bildsensors in CMOS-APS (complementary metal-oxide semiconductor active-pixel sensor) Technologie mit synchronem elektronischen Verschluß schafte die Grundlage für das A5 Hochgeschwindigkeits-Kameraprojekt. Ein Elektronikkonzept basierend auf einem FPGA (field programmable gated array) wird präsentiert. In das FPGA werden z.B. die Sensoransteuerung, der Graphikadapter, Bildausschnittswahl und die auf zahlreiche Anwendungen anpaßbare Belichtungskontrolle implementiert. Durch eine Erweiterung des Camera LinkTM Protokolls wird eine Ausgangsdatenrate von bis zu 6.5 Gbit pro Sekunde erreicht. Die Elektronik besteht aus drei Multilagen Leiterplatten. Etwa 460 elektronische Bauteile sind durch ungefähr 1040 elektrische Signale miteinander verbunden. Die Komplexität des FPGA-Programmes entspricht etwa 80 000 Transistoren. Bilder von explodierendem Popcorn und aus der Automobil- Serienkomponentenprüfung werden als Beispiele für wissenschaftliche und industrielle Anwendungen präsentiert. Aus dem Prototypen dieses Projekts entstanden sechs in Serie produzierte Produktvarianten.

La_2-2xSr_1+2xMn₂O₇ (LSMO327) ist ein Manganoxid mit einer intrinsischen Doppellagen-Perovskit-Struktur. Im Bereich 0.32≤x≤0.40 wird ein CMR (colossal magnetroresistance) -Effekt berichtet. Mittels spektroskopischer Ellipsometrie untersuchen wir die optische Leitfähigkeit und die lagenparallele Anisotropie im Bereich 0.32≤x≤0.54 von 0.5 eV bis 5.5 eV und von 25K bis 475 K. Bei der Metall-Isolator- oder antiferromagnetischen übergangstemperatur T_MI,AMF und bei einer gemeinsamen Temperatur T '≈ 280K zeigen alle Proben Veränderungen im Verhalten der optischen Leitfähigkeit. Orbitale Ordnung (OO) bildet sich unterhalb der Temperatur T_OO mit 250K≤T_OO≤310K und Ladungsordnung (CO) bei 145K≤T_CO≤TOO. Wir unterscheiden zwischen zwei verschiedenen Typen von Ladungsordnung, die orbitale Streifen und CE-Ladungsordnung anzeigen. Aus den Ergebnissen leiten wir ein erweitertes Phasendiagram ab.

Es wurde eine Meßtechnik für spektrale generalisierte magneto-optische Ellipsometrie (SMGE) entwickelt. Wir studieren mittels SGME den Ferromagnetismus von LSMO327 mit x = 0.40. Die Temperaturabhängigkeit des magneto-optischen Kopplungsparameters Q steht im Einklang mit Magnetisierungsmessungen. Die gemessenen Komponenten des dielektrischen Tensors ε werden durch ein numerisches Modell beschrieben, das auf der Annahme eines vollkommen spinpolarisierten Oszillators bei 3.58 eV mit einer Spin-Orbit-Aufspaltungsenergie von Δ_SO = 0.34 eV beruht.

Titel

Kurzfassung

Summary

The development of the first high-speed freeze-frame^® image sensor in complementary metal-oxide semiconductor active-pixel sensor (CMOS-APS) technology gave raise to the A5 high-speed camera project. An electronics concept based on a field programmable gated array (FPGA) is presented. The latter is programmed for e.g. sensor control, video graphics adapter (VGA) output, application-adaptable exposure control, and area of interest (AOI) features. Enhancing Camera Link^TM technology, the camera outputs up to 6.5 Gbit data per second. Electronics consists of three multilayer printed circuit boards (PCBs), carrying 460 electronic components, connected through 1040 electrical nets. The complexity of the FPGA software design is approximately 80 000 gate equivalents. Popcorn explosion and automotive component testing pictures are presented as examples for scientific and industrial application. From the A5 prototype design, six series camera products have been derived.

La_2-2xSr_1+2xMn₂O₇ (LSMO327) is a naturally double-layered Perovskite manganese oxide. Colossal magnetoresistance (CMR) in the range from 0.32≤x≤0.40 has been reported. By spectroscopic generalized ellipsometry (SGE), we study the optical conductivity and its in-plane anisotropy in the range 0.32≤x≤0.54 from 0.5 eV to 5.5 eV and 25K to 475 K. At the metal-toinsulator or antiferromagnetic transition T_MI,AMF and at a common temperature T '≈280K, all samples show two crossover points in the optical conductivity. Orbital ordering (OO) set in at temperatures T_OO of 250K≤T_OO≤310K and charge ordering (CO) between 145K≤T_CO≤T_OO. We distinguish between two dierent types of charge ordering, indicating orbital stripes and CE-type charge ordering. From the results, we deduce an extended phase diagram.

A measurement technique has been developed to perform spectral generalized magneto-optical ellipsometry (SGME). By SGME, we study the ferromagnetism of LSMO327 with x = 0.40. The thermal dependent evolution of the magnetooptical coupling parameter Q is in accordance with magnetization measurements. The components of the complex dielectric tensor ε are described with a numerical model, assuming a fully spin-polrized oscillator at 3.58 eV with a spin-orbital energy split Δ_SO = 0.34 eV.