Verlag des Forschungszentrums Jülich

JUEL-4087
Voigt, Jörg
Magnetische Strukturen in [Er/Tb]-Schichtsystemen: Einfluss der magnetischen Nachbarschaft und konkurrierender Anisotropien
II, 144 S., 2003

Die vorliegende Arbeit untersucht den Einfluss der künstlichen Strukturierung und der konkurrierenden Anisotropien auf die magnetischen Struktur in [Er|Tb] Übergittern. Durch die Kombination von Neutronenstreuung und resonanter magnetischer Röntgenstreuung (Resonance X-ray Magnetic Scattering RXMS) wird ein direkter Zusammenhang zwischen der magnetischen Ordnung der lokalisierten 4f-Zustände und einer kohärenten Spindichtewelle der Leitungsbandelektronen von Er und Tb deutlich.

Ermöglicht wurde die direkte Beobachtung der Spindichtewelle durch die Weiterentwicklung der RXMS-Technik. Das bezieht sich zum einen auf die Verbesserung der Quelleigenschaften am Instrument 6id-b der APS am Argonne National Lab und zum anderen auf eine effizientere Polarisationsanalyse, die das magnetische Signal von der deutlich stärkeren Ladungsstreuung trennt.

Um das magnetische Verhalten eines Übergitter zu verstehen, müssen die strukturellen Eigenschaften der Probe exakt bekannt sein. Aus diesem Grund wurde der Wachstumsprozess für epitaktische Vielfachschichtsysteme durch in situ Beugung langsamer Elektronen und Augerelektronenspektroskopie optimiert. Basierend auf bekannten Verfahren wurden die Wachstumsparameter für Er und Tb angepasst .

In einem Übergitter ist die Qualität der Grenzflächen von besonderer Bedeutung. Ihre Eigenschaften wurden ex situ an fertigen Vielfachschichten mittels Röntgenstreuung unter streifendem Einfallswinkel untersucht. Die Grenzflächen zwischen Er und Tb erstrecken sich über 3-4 Atomlagen. Die Rauhigkeit der Grenzflächen ist vertikal korreliert, wie an der diffusen Streuung gesehen werden kann. Daher wird das Rechteckprofil des Übergitters auch bei kleinen Schichtdicken lokal realisiert. Weitwinkelbeugung von Neutronen und Röntgenstrahlung an [ErnEr|TbnTb] Übergittern bestätigt die Rechteckstruktur. Dabei bezeichnen die Indizes die Schichtdicken in atomaren Monolagen.

Ferromagnetische Ordnung setzt in Übergittern mit einer Tb-Schichtdicke von mindestens 20 Monolagen bei einer Temperatur von 230 K ein. Die Kopplung der ferromagnetischen Tb-Lagen ist zwischenschichtdicken- und temperaturabhängig. Die Unterdrückung einer helixförmigen Phase, die in Volumenkristallen aus Tb gefunden wird, wird auf epitaktische Spannungen zurückgeführt.

Im Gegensatz dazu bildet sich in der [Er20|Tb5] Probe eine modulierte magnetische Struktur unterhalb von 150 K aus. Daneben gibt es bei Temperaturen unterhalb von 40 K eine gekoppelte Anordnung von ferromagnetisch geordneten Lagen. Die Ergebnisse der RXMS Messung bestätigen die Existenz einer gemeinsamen Ubergitterbandstruktur, die für diese Effekte der magnetischen Nachbarschaft verantwortlich ist.

Eine gemeinsame Bandstruktur wird auch in einem Er0,8Tb0,2 Legierungsfilm gefunden. Der Vergleich mit der magnetischen Struktur der Übergitter verdeutlicht dabei den Unterschied zwischen statistischer Platzbesetzung und der künstlichen Überstruktur. Dadurch eröffnen sich Möglichkeiten zu maßgeschneiderten magnetischen Eigenschaften bedingt durch die vom Menschen vorgegebene Struktur.

The present work concerns the influence of the artificial superstructure and competing anisotropies on the magnetic structure in [Er|Tb] superlattices. Combining neutron diffraction and resonance x-ray magnetic scattering (RXMS) the long range magnetic ordering of localized 4f states can be related to a coherent spin density wave in the conduction bands of both Er and Tb.

The direct observation of spin density wave was made possible only by the improvements of the RXMS technique, i .e ., an excellent source at the beamline 6id-b of the APS at the Argonne National Lab and a very efficient polarization analysis to distinguish the magnetic signal from the much stronger charge scattering.

To understand the magnetic behavior of a superlattice an precise knowledge of the structural properties is needed. Therefore the growth process for epitaxial multilayers was optimized by in situ low energy electron diffraction and Auger electron spectroscopy. Following recipes given in literature for other rare earth systems, the growth parameters have been adjusted for Er and Tb .

In a superlattice the quality of the interfaces is particularly important. Their properties in complete multilayers have been analysed ex situ by grazing incidence x-ray diffraction. The interfaces extend over 3-4 atomic layers, but the roughness is vertically correlated, as seen by the diffuse scattering. Therefore a squared interface profile is obtained locally even for small layer thicknesses. Wide angle diffraction of neutrons and x-ray confirms the squared structure of [ErnEr|TbnTb] superlattices, the indices denoting the layer thickness in atomic layers, with up to 150 repetitions of one bilayer unit.

Ferromagnetic order sets in at a temperature of 230 K, if the Tb layer thickness is more then 20 atomic layers. The ferromagnetic blocks are coupled, depending on temperature and interlayer thickness. Bulk Tb undergoes a phase transition to a helical magnetic structure at this temperature. The suppression of the bulk helical structure in Tb is due to epitaxial strains within the superlattice.

In contrast the [Er20|Tb5] sample forms a modulated magnetic structure below 150 K. Additionally basal plane ferromagnetic order appears below 40 K, with an antiferromagnetic coupling of ordered layers. The RXMS results confirm the existence of a common superlattice band structure which is responsible for the magnetic proximity effects.

A common electronic band structure is found in an Er0,8Tb0,2 film, too. The comparison with the superlattice clarifies the difference between statistical lattice site occupation and an artificial superstructure. This opens the opportunity of tailored magnetic properties by a man made structure.

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Letzte Änderung: 07.06.2022