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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:bsz:93-opus-43854
URL: http://elib.uni-stuttgart.de/opus/volltexte/2009/4385/


Magnetic resonant reflectometry on exchange bias systems

Resonante Magnetische Reflektometrie an Exchange Bias Systemen

Brück, Sebastian

pdf-Format:
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SWD-Schlagwörter: Reflektometrie , Magnetischer Röntgenzirkulardichroismus
Freie Schlagwörter (Deutsch): Exchange Bias , Resonante Röntgenstreuung , Unidirektionale Austauschwechselwirkung
Freie Schlagwörter (Englisch): exchange bias , X-ray resonant magnetic reflectometry , XMCD , pinned moments , layered structures
PACS - Klassifikation: 78.20.Ls 7
Institut: Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme
Fakultät: Fakultät Mathematik und Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Schütz, Gisela (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 26.06.2009
Erstellungsjahr: 2009
Publikationsdatum: 24.11.2009
Kurzfassung auf Englisch: Modern magnetic thin film devices owe their success in large part to effects related to interlayer coupling and exchange interaction at interfaces. One prominent example of such an interlayer coupling is exchange bias. Exchange bias is an interfacial exchange coupling which can occur if a ferromagnet is in direct contact to an antiferromagnet. The presence of the antiferromagnet induces an additional unidirectional anisotropy to the ferromagnet which results in a horizontal shift of the hysteresis loop. The aim of this thesis was to investigate several open questions and problems related to the basic physics of the exchange bias effect: First of all to find direct evidence for the existence and location of pinned uncompensated moments in the antiferromagnet. These moments are discussed as the origin of the exchange bias loop shift already since the time of its discovery. But direct evidence for their existence, amount and correlation with the effect were mostly missing. Another very important point is the magnetic configuration at the interface between ferro- and antiferromagnet. Finally experimental results indicating the microscopic mechanism responsible for the unidirectional character of the loop shift were completely missing.

In this thesis, X-ray magnetic reflectivity (XRMR) and X-ray magnetic circular dichroism (XMCD) were used to carry out a detailed investigation on three prominent exchange bias systems in order to answer the questions just framed. XRMR uses standard X-ray reflectivity and extends it by the additional contrast from the XMCD. As a result, XRMR provides structural, i.e., thickness and roughness information of a sample and also yields information on the magnetic profile along the z-direction. The magnetic configuration at the interface between ferro- and antiferromagnet was investigated in the Fe/MnPd exchange bias system.
Energy dependent scattering was performed on the Co/FeMn system to reveal the spectroscopic character of the pinned uncompensated moments in this system. Finally, the exchange bias system Co/NiCoO, a system with an oxide antiferromagnet, was investigated to reconfirm the former findings
for this class of systems as well.

A precise map of the magnetic configuration at the interface with the ferromagnetic Fe is obtained from the XRMR investigation of Mn in the antiferromagnetic alloy MnPd. A roughly 1 to 2 monolayer, or (4 ± 1)Å thick region of rotatable Mn is found directly at the interface with the Fe. This result clearly proves the existence of rotatable Mn in the antiferromagnet. The magnetic depth profile of pinned moments in the Mn was also obtained from the same XRMR investigation of the Fe/MnPD exchange bias system. It is found that pinned uncompensated Mn moments exist deeper in the antiferromagnet in a (13 ± 1)Å broad region close to the interface. A direct correlation of these moments with the exchange bias loop shift Heb is found from the azimuthal dependence. The second investigated system is a bilayer structure consisting of ferromagnetic cobalt grown on antiferromagnetic FeMn. By measuring the energy dependent scattering at the Fe L2,3 edge, the spectral character of the pinned uncompensated Fe moments in this system is investigated. To prove the direct correlation of the observed spectrum with the exchange bias effect in the system, two different samples with a unique on-off character of the exchange bias effect are compared.

The energy dependent scattering at a fixed qz value was investigated in both samples at the Fe L edge to identify the signal from the pinned uncompensated Fe moments in the antiferromagnet. A direct correlation of the signal with the loop shift is found from comparing the signal for the situation with exchange bias to the one without. A relation between the observed difference signal attributed to pinned mo221 ments in the antiferromagnet and the exchange bias loop shift observed by magnetometric means is proven. The shape of the difference signal from the pinned uncompensated Fe moments in the Co/FeMn exchange bias system clearly resembles a spectrum which is only dominated by an orbital momentum. This behaviour is found in both samples and comes/goes in both cases with the loop shift. This implies that the magnetic moments responsible for the exchange bias loop shift are mostly orbital moments. The shape of the signal and also the relation of this signal with the exchange bias loop shift is ascertained beyond doubt by the comparative character of the investigation and the tests performed.
Kurzfassung auf Deutsch: Magnetische Kopplungsphänomene und Austauschwechselwirkungen an inneren Grenzflächen bilden die Grundlage für viele moderne magnetische Anwendungen.
Einer der prominentesten und technologisch erfolgreichsten Vertreter dieser Klasse von Systemen ist die unidirektionale Austauschwechselwirkung, oder auch Exchange Bias. Werden ein Ferro- und ein Antiferromagnet, zum Beispiel in einem Dünnschichtsystem, zusammengebracht tritt eine Austauschwechselwirkung an der Grenzfläche der beiden Schichten auf, die zu einer effektiven Verankerung des Ferromagneten durch den Antiferromagneten führen kann. Das Resultat dieser Kopplung ist eine Verschiebung der Hysterese des Ferromagneten sowie typischerweise eine Erhöhung seiner Koerzitivfeldstärke. Ziel dieser Arbeit ist es einige der wichtigsten und dringendsten Fragen in diesem Zusammenhang zu beantworten. Die genaue magnetische Konfiguration an der Grenzfläche zwischen Ferro- und Antiferromagnet soll mit möglichst hoher Auflösung bestimmt werden. Besonders die Frage der Existenz und Position von verankerten, unkompensierten magnetischen Momenten im Antiferromagneten, die für das Auftreten der unidirektionalen Austauschwechselwirkung verantwortlich sind, steht dabei im Vordergrund. In einem zweiten Schritt soll auf die physikalischen Eigenschaften dieser verankerten Momente eingegangen werden. Dabei kommt eine neue Röntgenanalysemethode, die resonante magnetische Röntgenreflektometrie, englisch abgekürzt XRMR, zum Einsatz. Resonante magnetische Röntgenreflektometrie stellt die Erweiterung der herkömmlichen Röntgenreflektometrie durch den zusätzlichen Kontrast des Röntgenzirkulardichroism dar.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde mehrere verschiedene Exchange Bias Systeme untersucht: Bei dem ersten untersuchten Probensystem handelt es sich um epitaktisch gewachsenes Fe/MnPd, ein System mit metallischem Antiferromagneten. Ein hoch präzises, magnetisches Tiefenprofil des Mangan im Antiferromagneten ist mittels XRMR bestimmt worden. Es liefert die exakte magnetische Konfiguration an der Grenzfläche zwischen Ferro- und Antiferromagneten. Direkt an der Grenzfläche zum ferromagnetischen Fe existiert ein 1-2 Monolagen ((4±1) Å) dicker Bereich mit rotierbaren, sprich sich ferromagnetisch verhaltenden Mn Momenten im Antiferromagneten. Neben den rotierbaren Mn Momenten wurde auch nach verankerten Momenten im Antiferromagneten des Fe/MnPd Systems gesucht dabei liefert das mittels XRMR gemessene Tiefenprofil für diese Momente den folgenden Befund: Verankerte, unkompensierte Mn Momente existieren im Antiferromagneten. Sie treten nur in einem ((13±1)Å) breiten Bereich direkt unterhalb der Grenzfläche zum Ferromagneten auf. Dies ist der erste direkte Nachweis von verankerten unkompensierten Momenten in einem metallischen Antiferromagneten. Um den direkten Zusammenhang zwischen den gefundenen verankerten Mn Momenten und der Verschiebung der Hysterese durch den Exchange Bias nachzuweisen wurde die azimutale Abhängigkeit des Signals überprüft. Aufgrund des unidirektionalen Charakters der Austauschwechselwirkung verschwindet der Exchange Bias bei Messung in senkrechter Richtung. Dieses Verhalten findet sich eins zu eins im Signal der verankerten, unkompensierten Mn Momente wieder womit der Zusammenhang einwandfrei gezeigt ist.

Das zweite Exchange Bias System welches im Rahmen dieser Arbeit untersucht wurde besteht aus ferromagnetischem Kobalt auf FeMn als Antiferromagnet. Das Hauptaugenmerk dieser Untersuchung ist es den spektralen Charakter der verankerten unkompensierten Fe Momente im Antiferromagneten aufzuklären. Dazu wurde die energieabhängige Streuung an der Fe L2,3-Kante mittels zirkular dichroischem Licht an zwei Proben untersucht. Die Proben zeichnen sich durch eine unterschiedliche Magnitude und Temperaturabhängigkeit der unidirektionalen Austauschwechselwirkung, beziehungsweise der Verschiebung der Hysterese aus. Es findet sich folgendes Ergebnis dieser Untersuchung: Das den verankerten, unkompensierten Fe Momenten zuzuordnende Differenzsignal weist in beiden Proben dieselbe Abhängigkeit auf wie die Verschiebung der Hysterese aufgrund des Exchange Bias. Die Form des Differenzsignals das von den verankerten, unkompensierten Fe Momenten in Co/FeMn herrührt besitzt eindeutig einen orbitalen Charakter. Das bedeutet, dass Bahnmomente im Antiferromagneten für die Verschiebung der Hysterese im Co/FeMn Exchange Bias System verantwortlich sind. Dieses Ergebnis liefert zum ersten Mal einen eindeutigen Hinweis auf die physikalischen Eigenschaften von verankerten, unkompensierten Momenten in einem Antiferromagneten. Der vergleichende Charakter der Untersuchung an zwei unterschiedlichen Proben mit unterschiedlichen Abhängigkeiten, nämlich Temperatur bei der Ersten und Azimut bei der Zweiten, lässt keinen Zweifel an diesem Ergebnis zu.

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