Probing the antiferromagnetism of NixMn100−x with ferromagnetic Ni in exchange-biased bilayers and trilayers on Cu3Au(001)

Abstract

In this thesis the antiferromagnetism of NixMn100-x thin films in contact with ferromagnetic Ni film(s) in exchange-biased bilayers and trilayers on Cu3Au(001) is investigated by means of magneto-optical Kerr effect (MOKE). NixMn100-x ultrathin films (10≤x≤77) grow in layer-by-layer mode on Cu3Au(001) with face-centered tetragonal structure similar to its bulk form. NixMn100-x can couple to out-of-plane (OoP) as well as in-plane (IP) magnetized Ni films, the latter stabilized by Co under-layer deposition. The antiferromagnetic (AFM) ordering temperature (TAFM) of NixMn100-x films coupled to IP magnetized Ni increases significantly with decreasing x from ~50 to ~20%, whereas only a slight change in TAFM is observed for bilayers with OoP magnetized Ni as a function of x. The blocking temperature (Tb) is always higher for the IP case than for the OoP except for Ni50Mn50, where the reverse is true. The critical thickness of NixMn100-x for the onset of exchange bias (EB) decreases significantly for both coupling directions when decreasing x. These results suggest that for decreasing x, the non-collinear 3Q-like spin structure of NixMn100-x deviates, driven by composition-dependent strain, from a more-OoP to a more-IP configuration with an associated increase in magnetic anisotropic energy to establish EB at smaller NixMn100-x thicknesses. Trilayers of Ni/NixMn100-x/Ni (17≤x≤25) on Cu3Au(001) are studied in detail, while manipulating the easy axis of magnetization of one or both of the FM Ni layers by the deposition of an adjacent Co layer. For the trilayers the exchange bias field Heb is found to be always smaller than in the corresponding bilayers at similar temperatures. This difference of Heb increases as the thickness of the NixMn100-x layer decreases. At reduced thickness (27 ML) of NixMn100-x, along with a significant reduction in Heb, a markedly reduced Tb of ~150 K and ~90 K for trilayers with IP-IP and OoPOoP configurations of the FM layers, respectively, is observed compared to the bilayer. These results are attributed to some pinned magnetic moments located inside the bulk of the AFM layer which are equally shared by both interfaces. For the perpendicular configuration of the two FM layer magnetizations in trilayers, Heb and Tb are similar as in the bilayers. This indicates a 3Q-like AFM spin structure where the IP and the OoP spin components independently couple to the adjacent FM layer. Further two important observations are a training-induced positive EB shift, and a temperaturedependent sign reversal of Heb in trilayers when both FM layers are IP as well as OoP magnetized. The former is attributed to interlayer exchange coupling, and the latter to a competition between interlayer and interfacial coupling. Some signs of perpendicular interlayer coupling are also observed, which can be attributed to thickness fluctuations of the NixMn100-x film.

In dieser Arbeit wird der Antiferromagnetismus dünner NixMn100-x-Filme in Kontakt mit ferromagnetischem Ni in Exchange-Bias-Doppel- und -Dreifachschichten auf Cu3Au(001) mittels magneto-optischem Kerr-Effekt untersucht. Ultradünne NixMn100-x\- Filme (10≤x≤77) zeigen epitaktisches lagenweises Schichtwachstum auf Cu3Au(001) in einer flächenzentriert- tetragonalen Struktur, ähnlich der Volumenphase. NixMn100-x-Filme koppeln sowohl zu senkrecht zur Filmebene magnetisierten Ni-Filmken (out-ofplane, OoP) als auch zu in der Filmebene magnetisierten Ni-Filmen (in-plane, IP), wobei letztere durch Aufbringen einer Co-Unterlage stabilisiert werden. Die antiferromagnetische (AFM) Ordnungstemperatur (TAFM) von NixMn100-x, gekoppelt an IP-magnetisiertes Ni, steigt signifikant an wenn x von ~50 auf ~20% reduziert wird, während mit OoP-magnetisiertem Ni nur eine geringe Variation beobachtet wird. Die Blockingtemperatur (Tb) ist außer bei Ni50Mn50 im IP-Fall größer als im OoP-Fall. Die kritische NixMn100-x-Schichtdicke für das Auftreten von Exchange-Bias (EB) nimmt für beide Magnetisierungsrichtungen für geringer werdendes x signifikant ab. Diese Ergebnisse legen nahe, dass bei Erniedrigung von x die nichtkollineare 3Q-artigen Spinstruktur von NixMn100-x aufgrund von konzentrationsabhängigen Verspannungen von einer mehr OoP- hin zu einer mehr IP-artigen Konfiguration verzerrt wird, was mit einer Erhöhung der magnetischen Anisotropieenergie einhergeht, wodurch EB bereits bei kleineren NixMn100-x-Schichtdicken auftritt. Ni/NixMn100-x/Ni (17≤x≤25)-Dreifachschichten auf Cu3Au(001) werden im Detail untersucht, wobei die leichte Magnetisierungsrichtung einer der beiden oder beider Ni-Schichten durch das Aufbringen einer nebenliegenden Co-Schicht manipuliert wird. Das Exchange-Bias-Feld Heb der Dreifachschichten ist bei ähnlicher Temperatur immer kleiner als das der entsprechenden Doppelschichten. Dieser Unterschied in Heb wächst mit abnehmender Dicke der NixMn100-x-Schicht an. Bei geringeren NixMn100-x\- Schichtdicken (27 ML) wird zusammen mit einer signifikanten Abnahme von Heb auch ein im Vergleich zu den Doppelschichten klar verringertes Tb von ~150 bzw. ~90 K für Dreifachschichten mit IP-IP- bzw. OoP-OoP- Konfiguration der FM-Schichten beobachtet. Diese Ergebnisse werden auf gepinnte magnetische Momente im Inneren der AFM-Schicht zurückgeführt, die gleichermaßen von beiden Grenzflächen her beansprucht werden. Bei senkrechter Anordnung der Magnetisierungen der beiden FM Schichten sind Heb and Tb ähnlich wie in den entsprechenden Doppelschichten. Dies deutet auf eine 3Q-artige Spinstruktur hin, bei der die IP- und OoP-Komponenten unabhängig voneinander an die jeweiligen FM-Schichten koppeln. Zwei weitere wichtige Beobachtungen sind ein trainingseffekt-induzierter positiver EB und ein temperaturabhängiger Vorzeichenwechsel von Heb wenn beide FM-Schichten entweder IP- oder OoP- Magnetisierung aufweisen. Ersterer Effekt wird auf Zwischenschicht- Austauschkopplung, zweiterer auf den Wettstreit zwischen Zwischenschichtkopplung und Kopplung an der Grenzfläche zurückgeführt. Es werden weiterhin auch gewisse Anzeichen für senkrechte wischenschichtkopplung beobachtet, die auf Schichtdickenfluktuationen der NixMn100-x-Schicht zurückgeführt werden können.