Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-4087
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 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.
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.
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.
Neuerscheinungen
Schriften des Forschungszentrums Jülich
Ihre Ansprechperson
Heike Lexis
+49 2461 61-5367
zb-publikation@fz-juelich.de