Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-4060
Zunächst wird der Einfluss der Substratrauigkeit durch unterschiedliche Cu und Ta
Pufferschichten auf die Kristalltexturierung im Ir Mn, die Austauschenergie JE und die
Koerzivität HC des Systems untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass weder die Rauigkeit des
Substrates noch die Texturierung im Antiferromagneten einen grundlegenden Einfluss auf
die Austauschkopplung haben. Mit dem Blick auf andere Veröffentlichungen wird deutlich,
dass die Morphologie der Körner an der Grenzfläche einen wesentlichen Einfluss auf das
Exchange Bias hat. Während dieser Untersuchungen zeigt sich, dass wenige Atomlagen Ta
auf einer Cu-Pufferschicht das darüberliegende Exchange Bias System entkoppeln. Somit
ist auch ein wirksames System gefunden, in dem sich bei sonst gleichbleibenden
Parametern das Exchange Bias sehr einfach an- und abschalten lässt.
Schondelmaier, Daniel
Herstellung und Charakterisierung von gekoppelten IrMn / CoFe Schichtsystemen
VI, 77 S., 2003
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung der Austauchkopplung, die in
Schichtsystemen beobachtet wird, bei denen ein dünner ferromagnetischer Film in Kontakt
mit einem dünnen antiferromagnetischen Film gebracht wird. Die Austauschkopplung ist
von besonderem Interesse, da solche Systeme einerseits bereits eine Vielzahl technischer
Anwendungen finden, andererseits das wissenschaftliche Verständnis über die
Wirkungsweise und den Funktionsmechanismus noch am Anfang stehen.
Ein Ziel dieser Arbeit ist die Beobachtung des Einflusses des Probensubstrats auf den
Kopplungsmechanismus. Dabei gilt es eine Möglichkeit zu finden, allein durch den Einfluss
des Substrats die Kopplung im daüberliegenden Schichtsystem derart zu steuern, dass die
Wechselwirkung zwischen ferromagnetischer- und antiferromagnetischer Schicht entweder
stark ausgeprägt oder unterdrückt wird. So kann durch eine geeignete Kombination von
gekoppelten und entkoppelten Bereichen ein System zum erzeugen von magnetischen Bildern
oder zum speichern von binären Informationen erzeugt werden, das eine charakteristische
magnetische Signatur trägt. Infolgedessen kann ein solches System als Sicherheitsmerkmal
oder Echtheitszertifikat Anwendung finden.
Darauf aufbauend ist es Zielsetzung dieser Arbeit anhand beider Probentypen die
magnetischen Eigenschaften der Proben zu bestimmen. Diese Untersuchungen müssen an der
Grenzfläche erfolgen, da die Wechselwirkung zwischen der antiferromagnetischen und der
ferromagnetischen Schicht offenkundig ein reiner Grenzflächeneffekt ist. Ausgangspunkt
für alle Untersuchungen ist ein metallisches Ir20Mn80 / Co80Fe2O Schichtsystem, das sich
durch geringe Interdiffusion der Atome an der Grenzflächen und hohe Kopplungsenergien
(bis zu 0,5 erg/cm2) bei kleiner Koerzivität (~ 60 Oe) auszeichnet.
Proben mit und ohne Ta, aber gleichem darüberliegendem Ir20Mn80 / Co80Fe20
System, bilden den Ausgangspunkt für die Röntgen-Zirkular-Dichroismus Messungen an den
Co L3,2- und Mn L3,2-Kanten. Neben der Bestimmung von Spin- und Bahnmoment der
jeweiligen Proben werden auch materialsensitive Hysteresen gemessen. Die Untersuchungen
belegen die Existenz von unkompensierten M n Spins an der Grenzfläche zum
Ferromagneten. Die Anzahl der Mn-Atome, die ein ferromagnetisches Moment tragen, wird im Fall
der gekoppelten Probe auf 0,22 Monolagen abgeschätzt. Im Fall der ungekoppelten
Probe verdoppelt sich die Anzahl der unkompensierten Spins im Mn. Es wird gezeigt, dass
sich die Kopplung des Ferromagneten an den Antiferromagneten im Ir20Mn80 / Co80Fe20
System nicht über die hier beobachteten unkompensierten Mn Spins einstellt.
An investigation of exchange anisotropy, which is observed in thin magnetic bilayers
containing a ferromagnetic film in contact with an antiferromagnetic film is presented in this
work. On the one hand the manifold technical application, on the other hand a lack of a
deeper scientific understanding of the exchange mechanism causes a exceptional interest in
this field of basic research.
The influence of the substrate to the exchange mechanism is one of the main aims of the
present work. While finding a possibility to influence the exchange bias by the substrate
it is desirable to switch the exchange coupling 'on' or 'off'. A system to create magnetic
images or to save binary informations with a specific magnetic signature can be realized
by a suitable combination of coupled or uncoupled areas. Applications for security features
could therfore be realized. Based on this two types of buffer layers the investigation of the
magnetic properties is followed as aim of this work. Evidently the investigation has to be
done at the ferromagnetic-antiferromagnetic interface due to Exchange Bias is an interface
effect. The metallic Ir20Mn80 / Co80Fe20 bilayer forms the base of all investigation done
here. The system is characterized by low atomic interdiffusion at the interface, high
exchange energy (up to 0,5 erg/cm2) and small coercivity (~ 60 Oe).
At the beginning the influence of substrate roughness due to different Cu and Ta buffer
layers is discussed with a view of the texture in IrMn, the exchange energy JE and the
coercivity HC of the system. The absence of a basic correlation between roughness as well
as texture and exchange anisotropy is the result of this investigation. While discussing this
behavior in the context of other publications one expects that morphology of the interface
grains has an essential influence on exchange bias. In this studies it is observed that the
exchange bias system decouples if a few layers of Ta are sputtered ontop of the Cu buffer.
This is an effective system to switch exchange bias on or off without changing any other
parameters.
Samples with and without Ta and the same Ir20Mn80 / Co80Fe20 system on top serve as
a starting point for the use of X-ray circular dichroism experiments at the Co L3,2 and
Mn L3,2 edges. Among the determination of spin- and orbital moment of the respective
sample the element specific magnetic hysteresis are given. The existence of
uncompensated Mn Spins at the interface is verified. The amount of uncompensated Mn-Atoms
carrying an ferromagnetic moment is estimated to 0,22 monolayers. It is doubled in the
case of uncoupled sample. It is shown that the ferromagnetic antiferromagnetic coupling in
the Ir20Mn80 / Co80Fe20 bilayers is not due to the observed uncompensated spins at the
interface.
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