Ordering phenomena in FeCo-films and Fe/Cr-multilayers : an X-ray and neutron scattering study

Abstract

In dieser Arbeit wurden Ordnungsphänomene in dünnen Filmen und magnetischen Mehrfachschichten untersucht. Die hochreinen, epitaktischen Proben wurden mittels Molekularstrahlepitaxie hergestellt. Im Anschluß wurden Röntgen- und Neutronenstreuexperimente an der Europäischen Synchrotronquelle (ESRF) und am Hochflußreaktor Institut-Laue-Langevin (ILL) durchgeführt. Bei den dünnen Filmen handelt es sich um epitaktische FeCo(001)-Filme auf MgO(001)-Substraten. Diese Filme zeigen einen kritischen A2-B2 Phasenübergang und damit verbunden auch Fluktuationen der lokalen Ordnung. Die spezielle Filmgeometrie führt zu einer erhöhten A2-Ordnung an der Grenzfläche zum Substrat. Die temperaturabhängige Studie dieses Phänomens ('kritische Adsorption') ermöglichte es, erstmals den vorhergesagten Wert des universellen kritischen Oberflächenexponentens (eta_senkrecht) zu bestätigen. In unmittelbarer Nähe des Phasenübergangs beobachtet man weiterhin einen Übergang von dreidimensionalen zu zweidimensionalen Verhalten, welches sich in einer charakteristischen Änderung der Werte des kritischen Exponenten beta äußert. Dieser Übergang setzt ein, wenn die Größe der Fluktuationen etwa 1/3 der Schichtdicke beträgt. Bei den magnetischen Mehrfachschichten handelte es sich um eine 200-fach wiederholte Fe/Cr Heterostruktur mit Schichtdicken von je 19 Å Fe und 42 Å Cr. Die Mehrfachschicht wurde auf einer Nb(001) Pufferschicht gewachsen. Die Mehrfachschicht ist gekennzeichnet durch eine starke Terrassenstruktur. Ziel der Neutronenstreuexperimente war es, eine experimentelle Technik zur Bestimmung magnetischer Rauhigkeitskorrelationen zu entwickeln. Dies bedingt die spinaufgelöste Messung der diffusen Streubeiträge in der Nähe des Reflektivitätssignals. Als Flächenanalysator wurde hierfür erstmals ein mit polarisiertem 3He gefüllter Behälter in Kombination mit einem Drahtdetektor eingesetzt. Die so erhaltenen diffusen Intensitäten konnten mittels umfangreicher Modellrechnungen interpretiert werden.

Ordering phenomena in thin films and magnetic multilayers have been studied. The ultra-pure, epitaxial samples have been grown using molecular beam epitaxy. x-ray and neutron scattering experiments have been performed at the European synchrotron radiation source (ESRF) and at the high flux reactor Institut-Laue-Langevin (ILL). The thin films of FeCo(001) have been grown on MgO(001) substrates. The films exhibit a critical A2-B2 phase transition and therefore fluctuations of the local order. Due to the film geometry, order profiles are observed, i.e. the A2 order is enhanced at the interface with the substrate. The study of the temperature dependence of this phenomenon (which is called critical adsorption) enables us to confirm experimentally for the first time the field-theoretical predictions for the value of the critical surface exponent (eta_perp). Moreover, in the vicinity of the phase transition, a crossover behavior from three-dimensional to two-dimensional behavior is observed, which manifests itself in a change of the numerical value of the critical exponent beta. The crossover set in as the critical fluctuations reach about 1/3 of the film thickness. As magnetic multilayer, a 200-times repeated Fe/Cr heterostructure, composed out of 19 Å Fe and 42 Å Cr has been prepared. The multilayer was grown on a Nb(001) buffer layer and is dominated by a terraced structure. The experimental goal of the neutron scattering experiments was to develop an experimental techniques to determine magnetic roughness correlations within the multilayer. This requires a spin-resolved measurement of the diffuse intensities close to the reflected beam. Therefore, a vessel filled with polarized 3He in combination with a wire detector has been tested as an area-like analyzer. The experimental data obtained with this setup could be interpreted due to extensive model calculations.