Static and Dynamic Magnetic Properties of Exchange-coupled Thin Film Systems

Abstract

This thesis focuses on the coupling and dynamics of magnetic films. Epitaxial FM/Mn/FM [FM (ferromagnetic): Ni, Co] trilayers with a varied thickness (wedged) Mn layer were grown on Cu(001) and studied by magneto-optical Kerr effect measurements. The bottom FM film as well as the Mn film exhibit a layer-by-layer growth mode, which allows to modify both interface roughnesses on the atomic scale by tuning the thicknesses of the films to achieve a certain filling of their topmost atomic layers. For the Co/Mn/Co systems, the onset of antiferromagnetic order in the Mn layer at room temperature was found at a higher thickness (tAFM) for a filled compared to a half-filled topmost atomic layer of the bottom Co layer. Magnetization loops with only one step were found for half-filled topmost atomic layer of the bottom Co film, while loops with two separate steps have been observed in trilayers with an integer number of atomic layers in the bottom Co film. The small coercivity of the top Co film shows an oscillation with 1 ML period as a function of the Mn thickness above 10 ML, which is interpreted as the influence of the atomic- scale control of the interface roughness on the interface exchange coupling between the antiferromagnetic Mn and the top ferromagnetic Co layer. The strength of the magnetic interlayer coupling between the top and bottom Co layers through the Mn layer for an integer number of atomic layers in the bottom Co layer exhibits an oscillation with a period of 2 ML Mn thickness, indicative of direct exchange coupling through the antiferromagnetic Mn layer. A long-period interlayer coupling of the two FM layers with antiparallel coupling is observed and attributed to indirect exchange coupling of the Rudermann-Kittel-Kasuya-Yosida type. After deposition of Ni on Mn wedge/atomically filled Co film, the coercivity is enhanced compared to Mn/Co or Co/Mn/Co samples. In the Ni/Mn/Ni trilayer, the top Ni layer also shows a higher coercivity than the bottom layer above 8 ML Mn thickness. Comparing the medium energy electron diffraction oscillations during growth of Mn on Ni and Ni on Cu(001) shows that the surface roughness is reduced by the Mn layer. This indicates that the coercivity of Ni/Mn depends on the interface roughness, i.e., a smoother interface shows a higher coercivity. The magnetization dynamics of Co wedge/Ni bilayers induced by fs laser pulses close to the spin-reorientation transition (SRT) between out-of-plane and in- plane magnetization has been investigated by photoelectron emission microscopy with pump-probe measurements. The response of the magnetization of the Co layer close to the SRT shows a slower recovery after demagnetization comparing to the region far away from SRT, probably due to a lower Curie temperature.

Diese Arbeit befasst sich mit der Kopplung und der Dynamik von magnetischen Schichtsystemen. FM/Mn/FM [FM (Ferromagnet): Ni, Co] Dreilagensysteme mit einer Mn-Lage variable Dicke (Keilform) wurden epitaktisch auf Cu(001) aufgewachsen und mit Hilfe des magneto-optischen Kerr-Effektes untersucht. Die untere FM-Schicht und die Mn-Schicht zeigen lagenweises Wachstum. Dies ermöglicht die Kontrolle der Rauigkeit beider Grenzfläche auf atomarer Skala durch Variation der Schichtdicken, um einen unterschiedlichen Grad an Abgeschlossenheit der obersten atomaren Lage zu erreichen. Im Co/Mn/Co- Dreilagensystem zeigte sich, dass die antiferromagnetische Ordnung der Mn- Schicht bei Raumtemperatur bei größeren Schichtdicken (Mindestdicke tAFM) einsetzt, wenn die oberste atomare Lage der unteren Co-Schicht vollständig abgeschlossen ist, als wenn diese halb gefüllt ist. Für halb gefüllte atomare Lagen der unteren Co-Schicht zeigten sich Magnetisierungskurven mit nur einer Stufe, während für Dreilagensysteme mit einer ganzzahligen Anzahl an atomaren Lagen Kurven mit zwei voneinander getrennten Stufen beobachtet wurden. Die kleinere Koerzivität der oberen Co-Schicht weist oberhalb von 10 ML eine Oszillation mit einer Periode von einer Monolage als Funktion der Mn- Schichtdicke auf. Diese lässt sich auf die Kontrolle der Grenzflächenrauigkeit auf atomarer Ebene und den dadurch erzielten Einfluss auf die Austauschkopplung an der Grenzfläche zwischen antiferromagnetischer Mn-Schicht und der oberen ferromagnetischen Co-Schicht zurückführen. Die Kopplungsstärke zwischen der oberen und der unteren Co-Schicht über die Mn-Schicht weist für eine ganze Anzahl atomarer Lagen der unteren Co-Schicht Oszillationen mit einer Periode von 2 ML auf, die auf eine direkte Austauschkopplung über die antiferromagnetische Mn-Schicht hindeuten. Des Weiteren zeigte sich eine Variation der Kopplung zwischen den FM-Schichten mit einer längeren Periode und antiparalleler Kopplung, die einer indirekten Austauschwechselwirkung im Sinne einer Rudermann-Kittel-Kasuya-Yosida-Kopplung zugeordnet wurde. Nach Aufwachsen von Ni auf einer keilförmigen Mn-Schicht auf einer atomar abgeschlossenen Co-Schicht erhöht sich die Koerzitivität gegenüber Mn/Co- bzw. Co/Mn/Co-Proben. Im Ni/Mn/Ni-Dreischichtsystem zeigt die obere Ni-Schicht ebenfalls eine höhere Koerzitivität als die untere Ni-Schicht für Mn-Schichten mit einer Dicke oberhalb von 8 ML. Der Vergleich der Intensitäts Oszillationen der Beugung von Elektronen mittlerer Energie während des Aufwachsens von Mn auf Ni sowie von Ni auf Cu(001) zeigt, dass die Oberflächenrauigkeit durch die Mn-Schicht reduziert wird. Dies deutet darauf hin, dass die Koerzitivität von Ni/Mn von der Rauigkeit der Grenzfläche abhängt, d.h. eine glattere Grenzfläche führt zu einer höheren Koerzitivität. Die Magnetisierungsdynamik des Co-Keil/Ni-Doppelschichtsystems, die durch fs-Laser-Pulse nahe des Spin- Reorientierungs-Übergangs (SRT) von aus- zu in-der-Ebene-Magnetisierung hervorgerufen wird, wurde mit Photoelektronen-Emissions-Mikroskopie mittels Anrege-Abfrage-Technik untersucht. Die Reaktion der Magnetisierung der Co- Schicht nahe des SRT zeigt eine langsamere Erholung nach der Entmagnetisierung, als Weiter entfernt vom SRT, vermutlich auf Grund der SRT niedrigeren Curie-Temperatur.