Magnetic interaction between antiferromagnetic and ferromagnetic films: Co/Fe50Mn50 bilayers on Cu(001)

Abstract

Trotz des neuen Interesses an der Kopplung zwischen einem antiferromagnetischen und einem ferromagnetischen Film, hervorgerufen durch Anwendungen in magnetoresistenten Bauteilen, ist ein volles Verständnis der beobachteten Phänomene noch nicht erreicht. Dieses ist zum Teil auf die unvollständige Charakterisierung der Grenzfläche in den gesputterter Doppelschichten, die gewöhnlich für Anwendungen verwendet werden. Um die Kopplung zwischen einem antiferromagnetischen und einem ferromagnetischen Film zu untersuchen, wurden in dieser Arbeit fcc Co/FeMn-Doppelschichten epitaktisch auf einem Cu(001)-Einkristall aufgewachsen. Die während des Wachstums aufgezeichneten Oszillationen in der Intensität der Beugung von Elektronen mittlerer Energien ließen auf ein van der Merwe-Wachstum der Doppelschichten schließen. Ein starker Anstieg der Koerzitivfeldstärke der Co/FeMn Doppelschichten wird beobachtet, wenn die FeMn-Dicke einen bestimmten Wert überschreitet. Dies wird dem antiferromagnetischen Zustand der FeMn Legierung zugeschrieben. Elementselektive Abbildungen magnetischer Domänen wurden mittels eines Photoelektronen-Emissionsmikroskops aufgenommen, das den Zirkulardichroismus bei der Absorption zirkular polarisierter Röntgenstrahlung ausnutzt. Charakteristische Änderungen der Co-Domänenstruktur werden am Übergang der FeMn-Schicht zwischen paramagnetisch und antiferromagnetisch als Funktion der FeMn-Dicke oder der Temperatur beobachtet. Diese beinhalten eine drastische Verringerung der Domänengröße der Doppelschichten und eine Änderung der Magnetisierungsrichtung der Co-Domänen von <110> to <100> Richtungen in der Filmebene. Diese Resultate deuten auf eine wichtigen Rolle von topologischen 90°-Domänen in der nominell kompensierten antiferromagnetischen FeMn(001)-Oberfläche für die Kopplung zwischen FeMn und einer ferromagnetische Schicht hin. Die ferromagnetischen Domänenbilder, die an den Fe- und Mn-L3-Kante aufgenommen wurden, zeigen die gleiche Domänenstruktur wie die der Co-Schicht, gleichwohl mit einem stark verringerten Kontrast. Ein Teil dieser induzierten Momente könnte aus unkompensierten antiferromagnetichen Spins bestehen, die die magnetische Kopplung an der Grenzfläche vermitteln.

Despite the recent interest in the coupling between an antiferromagnetic and a ferromagnetic film, fueled by applications in magnetoresistive devices, a full understanding of the observed phenomena is still elusive. This is in part due to the incomplete characterisation of the interface in the sputtered bilayers that are typically used for applications. In order to address this issue, we deposited epitaxial fcc Co/FeMn bilayers on a Cu(001) single crystal surface by electron beam assisted thermal evaporation. Oscillations in the diffracted electron intensity during growth of the bilayers indicate layer-by-layer growth. A large increase in the coercive field of the Co/FeMn bilayers is found when the FeMn thickness exceeds a certain value, and it is attributed to the antiferromagnetic state of the FeMn alloy. The magnetic domain configuration was studied by photoelectron emission microscopy in combination with magnetic circular dichroism in soft x-ray absorption. Characteristic changes in the Co domain pattern are observed at the transition of the FeMn layer between paramagnetic and antiferromagnetic as a function of FeMn thickness or temperature. These include a drastic reduction in domain size of the as-grown bilayers, and a change in the magnetization direction of the Co domains from <110> to <100> in-plane directions. These results point towards an important role of topological 90° domains in the nominally compensated antiferromagnetic FeMn(001) surface for the coupling between FeMn and a ferromagnetic layer. Ferromagnetic domain images acquired at the Fe and Mn L3 edges show the same domain patterns as in the Co layer, however with a strongly reduced contrast. Part of these induced moments could consist of uncompensated antiferromagnetic spins, which mediate the magnetic coupling at the interface.