Untersuchung mikromagnetischer Strukturen in dünnen Schichten

Abstract

Ultradünne Schichten unterscheiden sich in vielen physikalischen Eigenschaften von den entsprechenden Volumenmaterialien. In ferromagnetischen Materialen sind beispielsweise durch den Einfluß der Ober- und Grenzflächen, der mit zunehmender Schichtdicke abnimmt, Reorientierungen der spontanen Magnetisierung möglich. Durch die Wahl des Substrats ist zudem, innerhalb eines gewissen Rahmens, die Einstellung der Kristallstruktur möglich. Im Fall des Co/Cu(001) gelingt es, bis zu einer Dicke von mehreren zehn Atomlagen, die kubischflächenzentrierte Hochtemperaturphase des im Volumen als hexagonaler Kristall vorliegenden Kobalts zu stabilisieren. Die veränderte Struktur führt dazu, daß ausgedehnte Co/Cu(001)-Filme im gesamten bisher untersuchten Dickenbereich von 1.5 bis 15 atomaren Lagen in der Ebene magnetisiert sind und nach der Herstellung, im Einklang mit der Theorie, in einem eindomänigen Zustand vorliegen. In dieser Arbeit wird der Einfluß einer Reduktion der lateralen Abmessungen des Films auf die magnetische Struktur sowohl experimentell als auch theoretisch untersucht. Die Herstellung der ultradünnen Teilchen mit lateralen Abmessungen im Mikrometerbereich(3 - 30 µm) erfolgte unter Ultrahochvakuumbedingungen mittels Aufdampfen durch eine Maske. Zur experimentelle Analyse stand ein Rasterelektronenmikroskop mit Spinpolarisationsanalyse der Sekundärelektronen (SEMPA) zur Verfügung. Hierbei handelt es sich um eine Meßmethode, die eine ortsaufgelöste und zerstörungsfreie Bestimmung der Magnetisierungsorientierung erlaubt. Für die theoretische Beschreibung, die für ultradünne Teilchen mit in der Ebene liegender Magnetisierung erstmalig durchgeführt wird, wird ein aus der Literatur entnommenes Modell von P. Rhodes und G. Rowlands (Proc. Leeds Phil. Soc. 6, 191 (1954)) zur Berechnung der magnetostatischen Energie quaderförmiger Teilchen mit bekannten Ausdrücken für den energetischen Beitrag der Domänenwände kombiniert. Einfache Domänenkonfigurationen in den Co/Cu(001)-Mikrostrukturen werden hinsichtlich ihrer Energie in Abhängigkeit von Kantenlänge und Schichtdicke klassifiziert. Die Experimente ergeben, daß Teilchen mit mehr als 3 µm Kantenlänge entgegen den gemachten Vorhersagen bis zu einer Dicke von 15 Monolagen (ML) in einem Multidomänzustand mit unregelmäßiger Struktur vorliegen. Der gefundene Zustand weist keine dickenabhängigen Merkmale auf. Die magnetische Struktur bildet sich demnach bereits während der Herstellung beim Einsatz der langreichweitigen ferromagnetischen Ordnung bei ca. 1,8 ML aus und ergibt einen metastabilen Zustand, wenn die Schichtdicke zunimmt. Der stets eindomänige Zustand der Teilchen mit 3 µm Kantenlänge wird den veränderten Materialparametern bei dieser Schichtdicke zugeschrieben. Durch Anlegen eines magnetischen Feldes läßt sich der Multidomänzustand in den größeren Teilchen zerstören und in einen eindomänigen überführen, der auch nach Abschalten des Feldes erhalten bleibt. Das benötigte Feld zeigt eine ausgeprägte Dickenabhängigkeit, die im Rahmen der Arbeit nicht erklärt werden kann. Eine Ummagnetisierung um 90° bzw. 180° durch entsprechend orientierte Felder ist möglich, das hierzu benötigte Feld jedoch dickenunabhängig. In 20% der um 180° ummagnetisierten Teilchen findet dieser Prozeß in zwei Schritten statt, d.h. durch zweimalige 90°-Ummagnetisierung.

In ultrathin films many physical properties differ from those of the corresponding volume material. In ferromagnetic materials, e.g., there is the possibility of a reorientation of the spontaneous magnetization due the influence of surfaces and interfaces that decreases with increasing thickness. In addition, the choice of the substrate opens up the possibility to tune the crystallographic structure within a certain range. In case of Co/Cu(001) the face centered cubic high temperature phase of Cobalt, which is hexagonal close packed in volume, can be stabilized up to a thickness of several ten monolayers (ML) even at room temperature. Because of the changed crystallographic structure, continuous Co/Cu(001)-films with a thickness between 1.5 and 15 ML are magnetized in the film plane and exhibt a single-domain state right after preparation, which is in agreement with theory. In this work the influence of a reduction of the lateral dimensions of the film on its magnetic structure is investigated in experiment and theoretically. The preparation of the ultrathin particles with lateral dimensions in the micron-range (3 - 30 µm) was done under ultra high vacuum conditions via evaporation through a mask. For the experimental analysis a scanning electron microscope with polarization analysis of secondary electrons (SEMPA) was used. This technique allows a laterally resolved and non-destructive determination of the magnetization direction. The theoretical description, which for ultrathin particles with in-plane magnetization is done for the first time, combines a model of P. Rhodes and G. Rowlands (Proc. Leeds Phil. Soc. 6, 191 (1954)) for the magnetostatic energy of rectangular prisms with common expressions for the energetic contributions of domain walls. Simple domain configurations in Co/Cu(001) microstructures are classified in terms of the edge length and thickness dependent energy. The experiments show that in contradiction to the theoretical predictions almost all particles with an edge length bigger than 3 µm exhibit a multidomain configuration with irregular structure. The observed state does not show any thickness dependent features. Therefore, the magnetic structure already develops during preparition at the onset of ferromagnetic long range order at approximately 1,8 ML and yields a metastable state as the thickness increases. The single-domain state of the particles with 3 µm edge length is ascribed to the changed material parameters at this thickness. By applying a magnetic field the multidomain state in the bigger particles can be changed into a singledomain one that is conserved after the field is reduced to zero. The field needed shows a pronounced thickness dependence that cannot be explained within this work. A magnetization reversal either by 90° or by 180° can be achieved with properly oriented fields that seem to be thickness independent. In 20% of the particles that were reversed by 180° this process proceeds in two steps, i.e. by two times 90°-reversal.