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Authors: Schmidt, Mathias
Title: Strukturelle und spektroskopische Eigenschaften epitaktischer FeMn/Co Exchange-Bias-Systeme
Other Titles: Structural and spectroscopic properties of epitaxial FeMn/Co exchange-bias systems
Issue Date: 2015
metadata.ubs.publikation.typ: Dissertation
URI: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:93-opus-103920
http://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/6904
http://dx.doi.org/10.18419/opus-6887
Abstract: Das Thema dieser Arbeit bestand in der Präparation und Charakterisierung des Exchange-Bias Systems FeMn/Co. Hierbei wurden mittels Molekularstrahlepitaxie zwei sich durch ihre kristalline Orientierung unterscheidende FeMn/Co-Probensysteme auf (100)-orientiertem Magnesiumoxid hergestellt. Zur Erzeugung einer flachen Schichtstruktur mit einer ausgeprägten kristallinen Ordnung war der Einsatz zweier Pufferschichten (Pt,Cu) notwendig. Bei Substrattemperaturen oberhalb von 900 K eine (100)-orientierte Schicht erschaffen, bei niedrigeren Temperaturen um 670 K entstand eine (111)-Orientierung. Untersuchungen der Kristallstruktur ergaben ein epitaktisches Wachstum des (100)-orientierten Probensystems (HTPt) mit großen Kristallitstrukturen, während für das (111)-orientierte System (NTPt) eine vierfach entartete Untergitterstruktur mit kleineren Kristalliten entstand. Es entstand ein wohldefinierter und reproduzierbarer Herstellungsprozess, bei dem sämtliche Schichtparameter gezielt verändert werden konnten. Anschließend wurden magnetometrische Untersuchungen der Probensysteme durchgeführt. Mittels SQUID-Magnetometrie wurde die Temperaturabhängigkeit dieser beiden Parameter untersucht. Es stellte sich eine stärkere Temperaturabhängigkeit des NTPt-Probensystems heraus, die der kleineren Kristallitgröße und der höheren Aktivierung von Pinnningzentren in den Korngrenzen zugeschrieben werden konnte. Dann wurde die magnetische Anisotropie der Probensysteme untersucht, dies geschah mittels eines MOKE-Systems. Es zeigte sich eine stärkere magnetokristalline Anisotropie des HTPt-Systems verglichen mit dem NTPt-System, die mit der ausgeprägteren kristallinen Ordnung in den magnetischen Schichten korreliert. Für eine ausführlichere Charakterisierung wurde auf die FORC (First Order Reversal Curves)-Methode zurückgegriffen. Dieses Verfahren erbrachte den Nachweis der asymmetrischen Magnetisierungsumkehr nicht nur parallel und antiparallel zur Feldkühlrichtung sondern auch für identische Projektionen auf die Feldkühlrichtung. Dieses Verhalten lässt auf eine nicht parallele Anordnung der leichten Richtungen von Ferromagnet und Antiferromagnet schließen. Neben der Asymmetrie der Magnetisierungsumkehr konnte auch das unterschiedliche Ummagnetisierungsverhalten beider Probensysteme analysiert werden. Die Auftrennung der irreversiblen und reversiblen Magnetisierungsbeiträge mittels FORC erbrachte für das HTPt-System irreversible Anteile über den gesamten Winkelbereich, während für das NTPt-System über nahezu den gesamten Winkelbereich reversible und somit rotationsbasierte Mechanismen identifiziert werden konnten. Zuletzt wurden die Probensysteme Röntgenabsorptionsmessungen unter Ausnutzung des Röntgenzirkulardichroismus (XMCD) unterzogen. Einerseits wurde ein Vergleich beider Probensysteme erstellt, andererseits auch Veränderungen der magnetischen Eigenschaften durch gezielte Manipulationen der antiferromagnetischen Struktur untersucht. Diese bestanden in Veränderungen der Dicke der Cu-Pufferschicht sowie in der Änderungen der Zusammensetzung des Antiferromagneten. Die Ergebnisse der Absorptionsmessungen wurden mit Hilfe der Summenregeln analysiert, um die Beiträge von magnetischem Spin- und Bahnmoment zu separieren und quantitativ zu untersuchen. Sowohl Eisen als auch Mangan zeigen ein XMCD-Differenzsignal von unkompensierten rotierbaren magnetischen Momenten. Die Magnetisierung findet sich nahe der Grenzfläche, in den tiefensensitiveren TFY-Messungen konnten keine unkompensierten Momente nachgewiesen werden. Verglichen mit den für Volumenproben reiner Elemente erhaltenen Ergebnissen wurde eine Zunahme des Bahndrehmomentes an beiden Kanten festgestellt. Die Menge an unkompensierten rotierbaren Spinmomenten nimmt bei Reduktion der magnetokristallinen Anisotropie des Antiferromagneten zu, dies ist besonders an der Eisenkante der Fall, auch wenn der Effekt ebenfalls an der Mangankante feststellbar ist. Durch eine auf der Intensität des Absorptionssignals basierende Abschätzung wurde die effektive Dicke der rotierbaren Schicht ermittelt, sie beträgt je nach Probensystem bis zu drei Monolagen für vorliegenden Exchange-Bias. Zuletzt wurde aus den gemessenen Spektren das sogenannte „Branching Ratio“ ermittelt, das Rückschlüsse auf den Erwartungswert der Spin-Bahn-Kopplung in den untersuchten Probensystemen zulässt. Hierbei ergibt sich für Mangan generell ein höherer Wert der Spin-Bahn-Kopplung verglichen mit den Messungen an der Eisenkante. Die Summe der beobachteten Effekte legt zur Erklärung der nahe der Grenzfläche im Antiferromagneten stattfindenden Abläufe ein Wechselspiel der globalen magnetokristallinen Anisotropie der Probensysteme mit einer lokal erhöhten Anisotropie an Stellen mit gestörter Kristallsymmetrie wie Fehlstellen oder Korngrenzen nahe. Letztere führt zum Ausbildung von gepinnten magnetischen Momenten, die durch den Feldkühlprozess eine unidirektionale Ausrichtung erhalten und den Exchange-Bias verursachen.
Starting from the sample preparation followed by the structural and magnetic characterization and ending with the analysis of the X-ray absorption measurements, a broad and detailed overview about the investigated FeMn/Co system was elaborated. The samples could be deposited by MBE in two different crystalline orientations which were influencing the magnetic properties on a macroscopic scale as found by SQUID and MOKE. A detailed quantitative analysis of the magnetic properties on an atomic scale by X-ray absorption techniques could deliver a clear picture of the interface related processes in the antiferromagnet leading to a specific model of the element selective mechanisms governing the EB phenomenon in the FeMn/Co system. Nevertheless, there are still a couple of questions not answered so far. One of these challenges is the investigation of the temperature dependency of the uncompensated magnetization by X-ray absorption methods. In addition, the ERNSt reflectometer offers the possibility to perform X-ray reflectivity measurements, suitable for gaining a complete magnetic depth profile of the investigated samples. A study of such reflectivity measurements, taken at resonant and non-resonant energies is suited to deliver a detailed picture of the magnetic depth profile. This includes an accurate determination of the location of uncompensated magnetic moments, either pinned or rotatable.
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