Growth, magnetic properties and interface effects of Fe and Fe-oxide ultrathin films on BaTiO3(001) substrates

Abstract

Wachstum, magnetische Eigenschaften und Grenzflächeneffekte ultradünner Filme aus Fe und Fe3O4 auf BaTiO3-Substraten wurden mittels Röntgenabsorptionsspektroskopie und zirkularem magnetischem Röntgendichroismus untersucht. Bei Fe durchläuft der Magnetismus drei Regionen, eine nicht-ferromagnetische, eine übergangs-ferromagnetische und eine gesättigte ferromagnetische. Die Richtungsabhängigkeit der magnetischen Eigenschaften zeigt einen Spin-Reorientierungsübergang in der Filmebene bei 6,7 MLE. Das magnetische Bahnmoment und damit das Verhältnis Bahnmoment/Spinmoment ist im Vergleich zu Volumen-Fe erhöht. Dies weist darauf hin, dass dem Spin-Reorientierungsübergang eine Grenzflächenanisotropie über die Spin-Bahn-Kopplung zugrunde liegt. Tempern des Fe-Films auf 973 K führt zur Bildung geordneter und ausgerichteter Inseln mit ca. 150 nm Durchmesser. Die Koerzivität der Nanoinseln ist erhöht, die Magnetisierung reduziert. Dies weist auf die Präsenz komplexer magnetischer Strukturen hin. Die Untersuchung der magnetischen Eigenschaften von Fe3O4-Filmen zeigt eine Drehung der leichten Achse im Vergleich zum Volumen.

The growth, magnetic properties and interface effects of ultrathin films of Fe and Fe3O4 on BaTiO3 substrates have been investigated by X-ray absorption spectroscopy and X-ray magnetic circular dichroism. In Fe ultrathin films, the magnetism evolves through three regions, a non-ferromagnetic region, an intermediate ferromagnetic region and a saturation region. Direction dependence of magnetic properties in Fe ultrathin films reveals an in-plane spin reorientation transition (SRT) at 6.7 MLE from the [110] to the [100] direction of Fe. Orbital magnetic moments show an enhancement compared to bulk values resulting in increased orbital to spin moment ratios. This hints to a spin-orbit coupling driven interface anisotropy as a possible reason for the SRT. Annealing of Fe films to 973 K results in the formation of ordered, directional Fe nanoislands of about 150 nm diameter. The coercivity of the nanoislands is found to be higher than that of the flat film and the magnetization is lower, which suggests the presence of complex magnetic structures. Investigations of the magnetic properties of Fe3O4 films reveal an easy axis rotated by 45° compared to bulk.