Growth, Structure and Magnetic Properties of Single Crystalline Fe/CoO/Ag(001) Bilayers

Abstract

The structural and magnetic properties of epitaxially deposited single- crystalline CoO layers and Fe/CoO bilayers on Ag(001) were investigated. CoO films on Ag(001) exhibit (1×1) Low Energy Electron Diffraction (LEED) patterns similar to the clean Ag(001) substrate. The vertical interlayer spacing of the CoO films, deduced from a kinematic analysis of LEED I(E) curves, is a⊥/2 = 2.17 A°, slightly expanded along the film normal. Scanning Tunneling Microscopy (STM) show a big improvement in the surface roughness after annealing the CoO films at 750 K in oxygen atmosphere. Magnetic measurements using the magneto-optical Kerr effect (MOKE) show a characteristic increase of the coercive field when the Fe/CoObilayer system is cooled down from room temperature to 150 K. The ordering temperature for the antiferromagnetic layer is in the same range as the Néel temperature for bulk CoO (TN = 290 K). X-ray absorption spectroscopy was employed to probe magnetic and electronic properties with elemental selectivity. Absorption spectra taken from bilayers with different amounts of deposited Fe show only a weak indication for the formation of Fe oxide at the Fe/CoO interface (0.3 ML Fe). From the spectral shape it is concluded that an FeO type of oxide is formed. X-ray Magnetic Circular Dichroism (XMCD) measurements exhibit a sizeable induced ferromagnetic signal at the Co L2,3 absorption edge, corresponding to an interface layer of 1.1 ML in which the magnetic spins couple with the Fe layer. The angular dependence of the X-ray Magnetic Linear Dichroism (XMLD) and X-ray Magnetic Circular Dichroism XMCD at both the Co and Fe L2,3 edges shows the orientation of the Co and Fe moments in the bilayers with respect to the crystallographic direction. PhotoElectron Emission Microscope (PEEM) is used to image each ferromagnetic and antiferromagnetic layer separately. Magnetic contrast due to the induced magnetic spins at the interface is also recorded.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Struktur und die magnetischen Eigenschaften von einkristallinen, epitaktisch gewachsenen Fe/CoO- Doppelschichten auf Ag(001)- Substraten untersucht. Mit Hilfe des Abscheidens von Co in einer Sauerstoffatmosphäre konnten dünne, epitaktische CoOSchichten bis zu einer Dicke von 13 Monolagen (ML) in- situ hergestellt werden. Um eine hohe kristallographische Ordnung zu erzielen, wurde das Substrat während der Präparation auf 450 K gehalten und anschließend auf 750 K erhitzt. Die so hergestellten CoO- Schichten weisen ähnlich scharfe (1×1) Niederenergie- Elektronen- Beugungsmuster (LEED) wie das saubere Ag(001)- Substrat auf. An Hand von I(E)- LEED- Messungen wurde die Verzerrung des Gitters senkrecht zur Ebene bestimmt. Der vertikale Abstand der einzelnen CoO- Lagen konnte mit Hilfe einer kinematischen Analyse der I(E)- LEEDKurven zu a⊥/2 = 2.17 A° bestimmt werden. Dies entspricht einer leichten Expansion der ultradünnen CoO/Ag(001)- Schichten senkrecht zur Oberfläche im Vergleich zur Struktur des Volumenfestkörpers, wie sie auch in anderen Untersuchungen am gleichen System gefunden wurde. Es stellte sich heraus, dass diese vertikale Verzerrung innerhalb der Schicht einen überaus starken Einfluss auf die elektronischen und magnetischen Eigenschaften des CoO hat. DieMorphologie der CoO/Ag(001)- Proben imBereichwenigerMonolagen wurde vor und nach dem Erhitzen der Probe in Sauerstoffatmosphäre mittels Rastertunnel-Mikroskopie (STM) untersucht. Vor dem Erhitzen setzt sich die CoO- Oberfläche aus Inseln mit einer Höhe von 1 1.5 nm zusammen, die sich nach dem Erhitzen um den Faktor 5 reduziert. In den STM- Bildern sind dabei gleichzeitig drei atomare Lage sichtbar, wobei die durchschnittliche Terrassenbreite etwa 15 nm beträgt. Dies stützt die Schlussfolgerung, dass das in dieser Arbeit benutzte Präparationsverfahren eine glatte Oberfläche der CoO Schicht gewährleisted. Die imnächsten Schritt auf das CoO abgeschiedenen Fe- Schichten weisen ebenfalls verhältnismäßig scharfe LEED- Spots auf. Um eine intakte Grenzfläche sicherzustellen, wurde die Probe nach dem Abscheiden der Fe- Schicht nicht erhitzt.

Die makroskopischen magnetischen Eigenschaften wurden durch Messung des magneto- optischen Kerr- Effektes bestimmt. Bei Abkühlung der Fe/ CoO/Ag(001) - Proben von Raumtemperatur auf 150 K zeigte sich eine charakteristische Vergr ößerung des Koerzitivfeldes (Hc) der Proben. Hierbei konnten Diskontinuitäten in der Steigung von Hc(T) bei der Temperatur TAFM f ür CoO- Dicken von 8 ML und 10 ML eindeutig beobachtet werden, während sie f ür niedrigere Schichtdicken schwerer auszumachen waren. Diese können mit dem übergang zur antiferromagnetischen Ordnung im CoO identifiziert werden. Die Ordnungstemperatur der antiferromagnetischen Schicht liegt damit im Bereich der Néel-Temperatur des CoO- Volumenfestkörpers (TN = 290 K). Es konnte gezeigt werden, dass die leichte Richtung der Fe- Schicht entlang der <110> Richtungen des Ag- Substrates liegt. Die hohe Sensitivität synchrotronstrahlungsbasierter Techniken wie Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS), magnetischer Röntgenzirkulardichroismus (XMCD) und magnetischer Röntgenlineardichroismus (XMLD) wurde dazu eingesetzt einen tieferen Einblick in die elementaufgel östen elektronischen und magnetischen Eigenschaften des Systems Fe/CoO/Ag(001) zu gewinnen. Die Experimente wurden sowohl an Fe/CoO- Doppelschichten sowie reinen CoO- Schichten durchgef ührt. Die unter streifendem Einfall gemessenen CoO/Ag(001)- Proben wiesen einen sehr großen linearen Dichroismus (XLD) bei Raumtemperatur auf. Dieser ist auf die vertikale Verzerrung der CoO- Schicht zur ückzuf ühren. Bei Messungen mit senkrechtem Einfall konnte in der Ebene der Probe kein XLD- Signal detektiert werden, was die erwartete vierzählige Symmetrie der Schicht bestätigt. Im Gegensatz dazu wiesen Fe/CoO- Proben bei 150 K einen magnetischen linearen Dichroismus bei senkrechten Einfall auf. Aus der sin (2φ) - Abhängigkeit und dem Verschwinden des XLD bei Raumtemperatur kann der magnetische Ursprung des Dichroismus gefolgert werden. Allerdings wurde das magnetische Signal von einem schwachen strukturellen Signal überlagert, was möglicherweise auf eine Verkippung der Probe relativ zur azimuthalen Rotationsachse zur ückzuf ühren ist. An Hand derWinkelabhängigkeit des X(M)LD ließen sich jedoch der strukturelle und der magnetische Beitrag zum Dichroismus voneinander trennen. Dar über hinaus konnten die komplementären Informationen der Ergebnisse der spektroskopischen XMCD- und XMLD- Untersuchen zusammen mit denen der Photoelektronenemissions-Mikroskopie (PEEM)-Messungen benutzt werden, um die Fe/CoO- Grenzfläche sowohl chemisch wie auch magnetisch vollständig zu charakterisieren. Die Absorptionsspektren der Fe/CoO- Doppelschichten zeigen nur schwache Anzeichen von Fe-Oxid-Bildung an der Grenzfläche (entsprechend 0.3 ML Fe). An Hand der spektralen Form kann darauf geschlossen werden, dass es sich um ein Oxid vom Typ FeO handelt. Das verhältnismäßig hohe XMCD- Signal an den Co- L2,3\- Kanten liefert den Beweis f ür eine beträchtliche Anzahl nicht-kompensierter Co-Momente, die ferromagnetisch an die Fe- Magnetisierung koppeln. Dies entspricht einem Beitrag von 1.1 ML CoO. Aus der Tatsche, dass das Co- L2,3\- XMCD- Signal nicht bei Raumtemperatur verschwindet läßt sich schließen, dass sich diese magnetischen Momente an der Grenzfläche befinden. Die f ür CoO typischen Merkmale in den XAS- Spektren werden in den Co- XMCD- Spektren reproduziert, was darauf hindeutet, dass die Co- Spins an der Grenzfläche ihren oxidischen Charakter beibehalten. Um das Potential von XMCD- und XMLD- PEEM vollständig auszuschöpfen, wurde eine keilf örmige Fe Schicht auf eine gleichmäßig dicke CoO- Schicht abgeschieden. Durch den Einsatz dieser beiden unterschiedlichen Kontrastmechanismen konnten die beiden Schichten unabhängig voneinander abgebildet werden. Während die Fe- Domänenstruktur durch einen Wechsel des Polarisation des einfallenden Lichts zwischen links und rechts zirkular polarisiert bestimmte wurde, wurde im Fall der CoO- Schicht die Energie der Röntgenstrahlung zwischen Werten mit negativen und positiven XMLD- Kontrast gewechselt. Der vier- farbige Kontrast in den Fe- XMCD- Bilden ist ein Beweis daf ür, dass die Fe- Magnetisierung in jede der h110i- Richtungen in der Ebene zeigen kann. Die XMCD- Bilder an den Co- Kanten reproduzieren perfekt die Fe- Domänenstruktur, was noch einmal die parallele Kopplung an die Fe- Magnetisierung bestätigt. Andererseits weisen die Co- XMLD- PEEMBilder nur einen zwei- farbigen Kontrast auf, der das Vorhandensein antiferromagnetischer Domänen beweist, deren Domänwände an die des Fe gekoppelt sind. Der zwei- farbige Kontrast ist eine Folge der zweifachen Symmetrie der antiferromagnetischen Ordnung in der CoO- Schicht. Selbst in Bereichen mit niedriger bzw. keiner Fe- Bedeckung konnte eine Domänenstruktur mit einer sehr geringen mittleren Gr öße ausgemacht werden, die auf Grund der begrenzten Auflösung des eingesetzten Mikroskops allerdings nicht quantifiziert werden konnte. Diemagnetische Kopplung zwischen den beiden Schichten wurde durch Messung der azimuthalen Winkelabhängigkeit nachgewiesen. Die Fe- XMCDSpektren bei Raumtemperatur und 150 K wiesen eine Fe- Magnetisierung entlang <110> in übereinstimmung mit den MOKE- Ergebnissen auf. Auf der anderen Seite weist dieWinkelabhängigkeit des Co- XMLD eine Orientierung der Spins entlang einer der <110> - Richtungen in der Ebene auf. Durch den Vergleich mit aktuellen experimentellen Ergebnissen und theoretischen Multiplett- Rechnungen an dem System Co/NiO konnte auf die Existenz einer parallelen Kopplung zwischen der Fe- Magnetisierung und der Co- Spinachse im System Fe/CoO/Ag(001) geschlossen werden. Diese parallele Kopplung kann durch die verhältnismäßig große Anzahl an nicht-kompensierten Co- Spins an der Fe/CoO- Grenzfläche zur ückgef ührt werden.