Magnetic properties of exchange-coupled antiferromagnetic/ferromagnetic multilayers studied by Polarized Neutron Reflectometry and Low Temperature Nuclear Orientation

Abstract

In this work the magnetic properties of different Co/CoO, Co/Au/CoO exchange bias (EB) systems and related systems were studied. All samples were prepared using molecular beam epitaxy. In order to determine the characteristic properties of the layer systems, which are related to the EB effect (e.g. the magnitude of the EB field), magnetization curves were recorded with a SQUID magnetometer.

The magnetization reversal processes in a [Co/CoO/Au]20 EB multilayer were investigated using Polarized Neutron Reflectometry (PNR). Asymmetric reversal processes were observed on opposite sides of the hysteresis loop, when the sample was in the biased state. After inducing the EB effect, the first magnetization reversal at the decreasing field branch was found to be dominated by domain wall motions. In contrast, the reversal at the increasing field branch was observed to be characterized by rotation processes. Furthermore, detecting the off-specular scattered neutrons, first measurements indicate a broad distribution of different domain sizes during the reversal process at the increasing field branch.

The interfacial coupling in Co/Au/CoO EB systems and related systems were studied using Low Temperature Nuclear Orientation (LTNO). The trilayer systems contain ultrathin Au layers in between the magnetic layers. After irradiation with thermal neutrons the gamma-ray intensities of the radioactive probe isotopes 60Co and 198Au can be detected. At very low temperatures (mK) and hyperfine fields larger than 3 T the radioactive probe nuclei get oriented, which results in an anisotropic gamma-ray distribution. By measuring the anisotropic gamma-ray distribution of the 60Co and 198Au gamma-radiation respectively, the average nuclear alignment and the average hyperfine field of 60Co and 198Au could be determined. The nuclear alignment of the Co moments in the EB trilayer was found to be aligned with the applied field (500 mT: magnetic saturation), while the axis of nuclear alignment of the interfacial Au moments was observed to be canted with respect to the applied field axis. Further investigations on CoO/Au/CoO and Co/Au/Co trilayer systems revealed that the canting of the nuclear Au moments in the EB systems is caused at the antiferromagnetic CoO/Au interface.

Detecting the intensities of the 60Co and 198Au gamma-radiation as a function of the applied field, the EB effect was observed in the Co and for the first time in the interfacial Au adjacent to the magnetic layers.

In dieser Arbeit wurden die magnetischen Eigenschaften verschiedener Co/CoO, Co/Au/CoO Exchange Bias (EB) Schichtsysteme und verwandter Systeme untersucht. Alle Proben wurden mittels Molekularstrahlepitaxie hergestellt. Um die charakteristischen Eigenschaften der Schichtsysteme zu bestimmen, die mit dem EB-Effekt verbunden sind (z.B. die Stärke des EB-Feldes) wurden mit einem SQUID-Magnetometer Magnetisierungskurven aufgenommen.

Die Ummagnetisierungsprozesse in einem [Co/CoO/Au]20 EB-Multilagensystem wurden mittels Reflektometrie mit polarisierten Neutronen untersucht (PNR). Während die Probe sich im EB-Zustand befand, wurden auf entgegengesetzten Seiten der Hysteresekurve asymmetrische Ummagnetisierungsprozesse beobachtet. Nach dem Induzieren des EB-Effektes wurde beobachtet, dass der erste Ummagnetisierungsprozess, auf dem abfallenden Ast der Hysterese, durch Domänenwand-Verschiebungen dominiert wird. Dagegen kann die Magnetisierungsumkehr auf dem ansteigenden Ast der Hysterese durch Rotationsprozesse charakterisiert werden. Ferner deuten erste Messungen der nicht-spekulären Streuung im Fall des zuletzt genannten Ummagnetisierungsprozesses auf eine breite Verteilung unterschiedlicher Domänengrößen hin.

Die Grenzflächenkopplung in Co/Au/CoO EB-Systemen und verwandten Schichtsystemen wurde mittels Tief-Temperatur-Kern-Orientierung (LTNO) untersucht. Die Dreilagen-Systeme enthalten ultradünne Au-Schichten zwischen den magnetischen Filmen. Nach der Aktivierung mit thermischen Neutronen können die Intensitäten der gamma-Strahlung, die von den radioaktiven Kern-Sonden 60Co and 198Au emittiert werden, detektiert werden. Bei sehr tiefen Temperaturen (mK) und Hyperfeinfeldern größer als 3 T, sind die radioaktiven Kern-Sonden orientiert. Die Emission der gamma-Strahlung orientierter radioaktiver Kerne ist anisotrop. Durch Detektion der anisotropen gamma- Strahlung der 60Co-Kerne, bzw. der 198Au- Kerne, können die mittlere Ausrichtung der magnetischen Kernmomente und das mittlere Hyperfeinfeld der beiden Kern-Sonden bestimmt werden. Es zeigte sich, dass die Co-Kernmomente in den EB Dreilagen- Systemen parallel zur Achse des äußeren Feldes ausgerichtet sind (500 mT: magnetische Sä ttigung), während die Au-Kernmomente an den Grenzflächen in bezug auf die Feldachse verkippt sind. Weitere Untersuchungen an CoO/Au/CoO und Co/Au/Co Dreilagen-Systemen zeigen, dass die Verkippung der Au-Kernmomente in den EB-Systemen an den antiferromagnetischen CoO/Au Grenzflächen verursacht wird.

Durch Messung der Intensitäten der 60Co and 198Au gamma-Strahlung als Funktion des äußeren Feldes konnte der EB Effekt im Co und erstmals in den Au- Grenzflächen beobachtet werden.