Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-3541
Rücker, Ulrich
Magnetische Kopplungsphänomene in epitaktischen Schichtsystemen aus Eisen und dem ferromagnetischen Halbleiter Europiusulfid
79 S., 1998
Europiumsulfid (EuS) ist ein ferromagnetischer Halbleiter mit einer
Curietemperatur von 16 K. Die Gitterkonstanten von EuS und Fe weichen um 3,7%
voneinander ab. Mit Aufdampfen im Ultrahochvakuum gelingt es, unter geeigneten
Bedingungen epitaktische EuS-Schichten auf Fe-Schichten aufzuwachsen, die ihrerseits
auf einer GaAs-(100)-Einkristalloberfläche mit Ag-Pufferschicht hergestellt sind.
Anschließend ist es möglich, eine weitere Fe-Schicht epitaktisch auf die EuS-Schicht
aufzubringen.
Mit Auger-Spektroskopie wird nachgewiesen, daß mindestens die ersten sechs
Monolagen EuS lagenweise auf Fe aufwachsen. Im LEED-Bild erkennt man eine gute
langreichweitige Ordnung der EuS-Schicht, RBS-Channeling-Untersuchungen ergeben
einen minimum yield bis hinab zu 6% in einer 167 nm dicken EuS-Schicht auf Fe,
der jedoch zur Grenzfläche hin bis über 20% ansteigt. Man beobachtet hier eine
Relaxation der Gitterfehlanpassung innerhalb der EuS-Schicht über etwa 50 nm.
In Doppelschichtsystemen Fe / EuS wird antiferromagnetische Kopplung an der
Grenzfläche zwischen den beiden unterschiedlichen Ferromagneten beobachtet.
Die Kopplung setzt mit der ferromagnetischen Ordnung in der EuS-Schicht ein
und steigt mit abnehmender Temperatur linear an, bei 7 K beträt die
Kopplungsstärke J = -0,19 mJ/m2.
In Dreifachschichten Fe / EuS / Fe wird bei allen Temperaturen
7 K <= T <= 300 K und Zwischenschichtdicken 0 <= d <= 5 nm
ferromagnetische Kopplung zwischen den Fe-Schichten beobachtet. Zur
quantitativen Bestimmung der ferromagnetischen Kopplungsstärke wurde die
„spin engineering“-Methode an einem erweiterten Schichtsystem
Fe / Cr / Fe / EuS / Fe angewandt. Bei allen Temperaturen wird ein
exponentieller Abfall der Kopplungsstärke mit steigender Schichtdicke
beobachtet. Die Stärke und die Reichweite der Kopplung sind stark
temperaturabhängig: Die Reichweite der Kopplung zeigt bei 17 K ein Maximum.
Unterhalb von 20 K liegt sie in der Größenordnung von 1 nm, oberhalb
von 50 K beträgt sie konstant 0,25 nm. Die Kopplungsstärke hingegen ist bei
17 K minimal, sie steigt zu niedrigen wie zu hohen Temperaturen deutlich an.
Der Anstieg zu hohen Temperaturen ist ungefähr exponentiell.
Diese Verhalten ist durch zwei verschiedene Kopplungsmechanismen begründet,
die in unterschiedlichen Temperaturbereichen wirksam sind. Bei niedrigen
Temperaturen, unterhalb der Ordnungstemperatur von EuS, koppelt die EuS-Schicht
an beide Fe-Schichten an und vermittelt durch ihre ferromagnetische Ordnung eine
langreichweitige Kopplung zwischen den Fe-Schichten. Das Kopplungsverhalten bei
hohen Temperaturen läßt sich durch Kopplung über thermisch angeregte elektronische
Zustände in der halbleitenden Zwischenschicht beschreiben, wie sie durch
theoretische Berechnungen vorhergesagt wurde.
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