High wave-vector magnon excitations in ultrathin Fe(111) films grown on Au/W(110) and Fe(001) films grown on Ir(001)

Abstract

Magnonen; Spinwellen; magnetische Anregungen; dünne Schichten; Eisen; Iridium; Stoner-Anregungen; Magnonendispersionsrelation; SPEELS; Austauschwechselwirkung

magnons; spin-waves; magnetic excitations; thin films; Iron; Iridium; Stoner excitations; magnon dispersion relation; SPEELS; exchange interaction

In dieser Arbeit wurden Magnonen mit hohen Wellenvektoren in ultradünnen Fe(111) und Fe(001) Filmen mittels spinpolarisierten Elektronenenergieverlustspektroskopie (SPEELS) studiert. Um die Rolle der atomaren Struktur auf die Magnonendispersionsrelation zu studieren, wurde eine 2 Monolagen (ML) dicke Fe Schicht auf W(110) mit und ohne Au(111)-Puffer-Schicht untersucht. Es wurde beobachtet, dass die Au-Schicht zu einer Abschwächung den Magnonen-Energie führt. Die Ab-initio-Rechnungen zeigen, dass die magnetischen Eigenschaften von Fe sehr stark mit der atomaren Struktur verknüpft sind. Untersuchung der Fe(001)-Oberfläche wurde auf epitaktischen Fe(001)-Filmen auf Ir(001) durchgeführt. Zum ersten Mal wurde die Magnonendispersionsrelation auf einem ferromagnetischen Fe(001)-Film mit einer Schichtdicke von 6 ML über die gesamte Oberflächen-Brillouinzone gemessen. Durch Vergleich der experimentellen Ergebnisse mit den theoretischen Rechnungen kommen wir zu dem Schluss, dass die Wachstum induzierte Verzerrung in dem Fe-Film und die elektronischen Hybridisierungen zwischen dem Film und dem Substrat zu diesem Verhalten führt.

In this work, high wave-vector magnon excitations in Fe(111) and Fe(001) ultrathin films are studied using spin-polarized electron energy loss spectroscopy (SPEELS). To study the role of the lattice structure on the magnon dispersion relation, a 2 ML Fe film with (111) surface orientation grown on 2 ML Au(111)/W(110) is investigated. It is observed that the magnons in Fe(111)/Au(111)/W(110) are softer than the ones in Fe(110)/W(110). First-principles calculations show that the softening is due to the fact that the magnetic interactions in Fe are strongly coupled to the lattice structure. Investigation of the Fe(001) surface is carried out on epitaxial Fe(001) films grown on Ir(001). For the first time, the magnon dispersion relation is obtained on a typical ferromagnetic Fe(001) film over the whole surface Brillouin zone. By comparing the experimental and the theoretical results, we conclude that the strain-induced distortion in the Fe film and the hybridization between the film and the substrate are both crucial to understand this behavior.