Magnetische Kopplung ultradünner Doppel- und Dreifachschichten aus ferromagnetischen Ni- und antiferromagnetischen Fe x Mn 1-x -Filmen

Abstract

Die Kopplung an der Grenzfläche von Doppelschichten aus ferromagnetischen (FM) und antiferromagnetischen (AFM) Materialien beeinflusst die magnetischen Eigenschaften und bewirkt dadurch eine Erhöhung der Koerzivitität HC und eine Asymmetrie der Hysteresekurve, die Austauschverschiebung. Die antiferromagnetische Ordnungstemperatur TAFM in ultradünnen Filmen hängt nicht nur vom Material, sondern auch von der Schichtdicke und eventuell vorhandenen benachbarten Filmen ab. Da eine einheitliche Theorie der Mechanismen, die zu FM–AFM-Kopplung und Austauschverschiebung beitragen, noch aussteht, war bisher unklar, inwiefern die Stärke der FM–AFM-Kopplung auch TAFM beeinflusst. In einkristallinen ultradünnen Ni/FexMn1−x-Doppelschichten der AFM Schichtdicke im Bereich von 6–9ML und Fe Konzentration 40% < x < 60% konnte nun anhand von temperaturabhängigen Hysteresekurven sowohl die Ordnungstemperatur TAFM als auch die FM–AFM-Kopplung bestimmt werden. Dabei stellt sich heraus, dass TAFM nur von der FexMn1−x-Schichtdicke abhängt, während die FM–AFM-Kopplung auch durch Eisenkonzentration und Grenzflächenrauigkeit beeinflusst wird. Im Vergleich zu früherenMessungen an Co/FexMn1−x-Doppelschichten zeigte sich jetzt, dass der Einfluss der benachbarten FM-Schicht auf TAFM vor allem auf einer Verzerrung der 3Q-Spin-Struktur beruhen muss, die abhängig von der Magnetisierungsrichtung der angrenzenden FM-Schicht beeinflusst wird. Die FM –AFM-Kopplung bewirkt bei Auszeichnung einer Richtung - beispielsweise durch ein äußeres Magnetfeld beim Abkühlen - eine Austauschverschiebung, die in vielen Modellen über die Kopplung an der Grenzfläche erklärt wird. In Ni/FexMn1−x/Ni-Dreifachschichten konnte ein Einfluss einer zusätzlichen FM- Schicht auf die Austauschverschiebung der Doppelschicht nachgewiesen werden. Die Austauschverschiebung verschwindet, sobald die zusätzliche FM-Schicht einmal ummagnetisiert wurde. Dies zeigt, dass nicht nur die Spins an der Grenzfläche, sondern die des gesamten Volumens der FexMn1−x-Schicht einen Einfluss auf die Austauschverschiebung haben. Da bisherige Messungen nanostrukturierter FM/AFM-Systeme nur an polykristallinen Proben durchgeführt wurden, könnten Messungen an einkristallinen Nanostrukturen zu einem besseren Verständnis der Vorgänge an der Grenzfläche führen. Deshalb wurden erste Schritte zur Präparation und Messung nanostrukturierter Systeme im Ultrahochvakuum unternommen, bei der die Nanostrukturen durch eine Nanolochmaske hindurch aufgedampft werden.

The coupling at the interface in bilayers consisting of ferromagnetic (FM) and antiferromagnetic (AFM) films leads to a modification of the magnetic properties such as an increase in coercivity and an asymmetry of the hysteresis loop, namely the exchange bias. The ordering temperature TAFM in AFM materials is an important property of the material which is influenced not only by the film thickness but also by adjacent FM layers. Since a consistent theory which explains exchange bias and FM–AFM coupling in all systems has not yet been developed, questions arise, for example, about the effect of such a coupling on AFM properties as TAFM. This work addresses these questions in ultrathin single-crystalline Ni/FexMn1−x bilayers in the AFM thickness range of 6–9 ML and Fe concentration x from 40% to 60%. In this system, TAFM was determined from the discontinuity of coercivity (HC) in temperature-dependent hysteresis curves. The relative FM–AFM coupling strength was deduced from the increase in HC. This enhancement of HC reveals that TAFM only depends on the thickness of the AFM layer, whereas the FM–AFM coupling strength is affected by the Fe concentration of the FexMn1−x layer and the interface roughness. These results show that the FM–AFM coupling strength does not influence TAFM, as earlier reports for in-plane magnetized samples suggest. This disagreement shows that the influence of an adjacent FMlayer on TAFM has to be attributed mainly to a distortion of the bulk AFM spin structure of 3Q type in a way that depends on the magnetization direction of the adjacent FM layer. FM–AFM coupling leads not only to an increase in coercivity but also to an asymmetry of the hysteresis curve if one magnetization direction is preferred for instance due to an external magnetic field during cooling. This exchange bias is usually explained by uncompensated spins at the FM–AFM interface. Hysteresis loop measurements in Ni/FexMn1−x/Ni trilayers now show that the exchange bias is influenced by the additional FM layer. Once the magnetization of the additional FM layer is reversed the exchange bias disappears. Hence one can conclude that not only the spins at the interface but also those in the bulk FexMn1−x play a crucial role for the origin of exchange bias. Unlike previous work on polycrystalline nanostructured FM/AFM systems showing contradictory effects, single-crystalline nanostructures might help to gain a better understanding of exchange bias. This work shows the first attempt to prepare and measure such nanostructures in ultrahigh vacuum, which were evaporated through masks patterned with nanoholes.