3. Wachstum, Struktur und Magnetismus ultradünner FexMn100-x- und Co/FexMn100-x-Schichten auf Cu(001) (2006-2007)
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3.1 Wachstum

Die Gitterkonstanten der fcc-Kristallstrukturen von Cu und Fe50Mn50 betragen im Volumen 3.615 Å bzw. 3.629 Å. Sie weichen damit lediglich um -0.4 % voneinander ab. Über den gesamten Konzentrationsbereich von γ-FexMn100-x-Legierungen liegt ein geringer Unterschied der Gitterkonstanten mit Werten zwischen +0.8 % und -0.5 % vor. Die gute Übereinstimmung der Gitterkonstanten von Substrat und Schichtmaterial stellt eine entscheidende Voraussetzung für pseudomorphes Wachstum dünner Mn-haltiger Schichten auf dem Cu(100)-Substrat dar.

Die Festlegung der FexMn100-x-Legierungszusammensetzung erfolgt über die unterschiedlichen Aufdampfraten der Fe- und Mn-Quellen. Hierzu wird jede Quelle zunächst separat kalibriert. Dies kann im Falle von Fe z. B. durch die für Raumtemperatur charakteristische Fe/Cu(100)-Wachstumskurve erfolgen. In Abbildung 6 sind Daten zum Wachstum dünner FexMn100-x-Schichten unterschiedlicher Legierungszusammensetzung für eine Temperatur von 300 K dargestellt. Die Wachstumsoszillationen, die bei der Streuung von 25 keV He+ Ionen unter einem Winkel von 1.6° auftreten, repräsentieren ein gutes Lagenwachstum im Konzentrationsbereich Fe : Mn ≈ 50 : 50.


Abbildung 6

Eine quantitative Analyse der Konzentration erfolgt im Anschluss an die Abscheidung mittels Elektronen-induzierter Augerelektronenspektroskopie. Abbildung 7 zeigt Augerspektren verschiedener FexMn100-x-Legierungen mit konstanten Schichtdicken von 15 Atomlagen. Um das Hintergrundsignal aufgrund von Sekundärelektronenprozessen zu eliminieren, ist die differenzierte Intensität dI/dE dargestellt. In dem Energiebereich zwischen 540 und 700 eV werden die charakteristischen L3M23M23-, L3M23M45- und L3M45M45-Übergänge der metallischen 3d-Übergangselemente beobachtet. Die zugehörigen Elektronenenergien betragen 598 eV, 651 eV und 703 eV für Fe (unterstes Spektrum) bzw. 542 eV, 589 eV und 636 eV für Mn (oberstes Spektrum). In Abhängigkeit von der Legierungszusammensetzung treten deutliche Unterschiede in der Stärke der Fe- und Mn-Augersignale auf.


Abbildung 7

 

3.2 Struktur

In Abbildung 8 sind Ionenstrahltriangulationskurven für 15 AL FexMn100-x- und 6 AL Co/15 AL FexMn100-x-Schichten gezeigt. Die zu einigen beobachteten Minima korrespondierenden Kristallrichtungen ([10], [21], [11], [12], [01]) mit den zugehörigen Winkeleinstellungen sowie eine schematische Anordnung der Atome in der fcc(100)-Oberfläche sind auf der rechten Seite dargestellt. Für die fcc Cu(100)-Oberfläche werden Kristallrichtungen bis zur [41]- bzw. [14]- Richtung beobachtet. Für 15 Atomlagen Fe46Mn54 auf Cu(100) weisen die Winkelpositionen der Minima in der Ionenstrahltriangulationskurve keine Veränderungen gegenüber dem Substrat auf, so dass im Wesentlichen auf ein pseudomorphes Wachstum der Legierungsschicht geschlossen werden kann. Die FexMn100-x-Legierungen besitzen im mittleren Konzentrationsbereich wie im Volumen auch als dünne Schichten eine fcc-Struktur.


Abbildung 8

 

3.3. Magnetische Eigenschaften

Eisen-Mangan-Legierungsschichten sind für Schichtdicken über acht Atomlagen antiferromagnetisch. Das bedeutet, dass die atomaren magnetischen Momente entgegengesetzt ausgerichtet sind und sich die Gesamtmagnetisierung zu Null kompensiert. Die Kopplung der FeMn-Schicht an eine ferromagnetische Kobalt-Schicht ermöglicht jedoch eine indirekte Untersuchung des FeMn sowie der Austauschwechselwirkung an der Grenzfläche. Abbildung 9 links zeigt die Hysteresekurven von 6 ML Co auf 4 ML FeMn auf Cu(001). Die verwendete Messmethode MOKE benutzt den magnetooptischen Kerreffekt und mittelt - aufgrund der hohen Eindringtiefe des benutzten Lichtes - das magnetische Verhalten des gesamten Schichtsystems. Bei Raumtemperatur hat das FeMn noch keinen Einfluss auf die Hysterese der Co-Schicht, weil es paramagnetisch ist. Beim Abkühlen der Probe erhöht sich jedoch die Koerzitivfeldstärke (HC) deutlich durch die einsetzende antiferromagnetische Ordnung in der FeMn-Schicht. In Abbildung 9 rechts sind die Koerzitivfeldstärken für verschiedene FeMn-Schichtdicken als Funktion der Temperatur aufgetragen. Es zeigt sich das gleiche Verhalten, jedoch setzt der Antiferromagnetismus bei dickeren Schichten bereits bei höheren Temperaturen ein. Auf diese Weise kann die Temperatur unterhalb derer FeMn antiferromagnetisch ist (Néel-Temperatur) abgeschätzt werden.

Abbildung 9

Abbildung 9

Neben der Erhöhung der Koerzitivfeldstärke des Ferromagneten kommt es zu einem weiteren Effekt bei der Kopplung an einen Antiferromagneten. Wird das Doppellagensystem in einem äusseren Magnetfeld unter die Néel-Temperatur gekühlt, kann die anschließend gemessene Hysteresekurve entgegen der Feldrichtung beim Einkühlen verschoben sein ("exchange bias"). Abbildung 10 zeigt dieses Verhalten für 6ML Co/4.5ML FeMn/Cu(001). Die Verschiebung ist jedoch im Vergleich zu anderen Schichtsystemen relativ gering. Daraus kann man schlussfolgern, dass bei der geringen FeMn-Schichtdicke von nur 4.5 ML die Kopplung im Antiferromagneten im Vergleich zur Grenzflächenkopplung relativ schwach ist und irreversible Änderungen im Antiferromagneten den Ummagnetisierungsprozess dominieren.

Abbildung 10

Abbildung 10

Der Einfluss des Konzentrationsverhältnisses in der FexMn1-x-Legierungsschicht wurde für das System 6ML Co/15ML FexMn1-x/Cu(001) untersucht. Abbildung 11 zeigt die Hysteresekurven für verschiedene Fe-Anteile. Sie wurden mit der Messmethode des Einfangs spinpolarisierter Elektronen (EC – electron capture) aufgenommen, die sich aufgrund der Geometrie der streifenden Streuung schneller Ionen durch eine hohe Oberflächensensitivität auszeichnet. Die Informationstiefe beträgt dabei weniger als die oberste atomare Lage.

Abbildung 11

Abbildung 11

Abbildung 12 zeigt die Größe des magnetischen Signals für die Ummagnetisierung der Oberfläche aus EC-Hysteresekurven (Rautensymbole) und der gesamten Schicht gemessen mit MOKE (Rechtecksymbole – Hysteresekurven hier nicht gezeigt). Für Eisen-Konzentrationen 0% < x < 65% beginnt sich eine antiferromagnetische Ordnung auszubilden. Dies ist verbunden mit einer Reduzierung des MOKE-Signals durch an der Ummagnetisierung gehinderte Teile der Co-Schicht. Für 25% < x < 50% ist die Kopplung bereits so stark (und die Koerzitivfeldstärke so groß), dass die gesamte Co-Schicht mit den zur Verfügung stehenden Magnetfeldern nicht mehr ummagnetisiert werden kann. Die Elektroneneinfang-Messungen zeigen jedoch, dass auch in diesem Bereich noch Teile der Oberfläche mit vergleichsweise geringen Magnetfeldern ummagnetisiert werden können (HCEC≈ 5-10 Oe im Gegensatz zu HCMOKE> 200 Oe). Ursache dafür sind vermutlich magnetische Momente an Terrassenkanten und Oberflächendefekten.

Abbildung 12

Abbildung 12

 J. Seifert, T. Bernhard, M. Gruyters und H. Winter
"Magnetic interface coupling between Co and binary of FexMn100-x alloys in the ultrathin film limit"
Phys. Rev. B 76 (2007) 224405

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