4.2 Dzyaloshinskii-Moriya-Wechselwirkung epitaktischer Systeme
4.2.1 Bestehende Messungen der DMI
In diesem Unterkapitel soll der Frage nachgegangen werden, welche Aussagen sich aus be-reits bestehenden Messungen der DMI für Co/Ir(111)- und Co/Pt(111)-Systeme ableiten lassen. In den vergangenen zehn Jahren wurden mehrere Methoden entwickelt, die eine akkurate Bestimmung der DMI ermöglichen. In einer groben Unterteilung lassen sich die meisten Experimente einer von zwei Herangehensweisen zuordnen. Zum einen werden, wie auch in der vorliegenden Arbeit, Domänenwände genutzt, indem entweder die Orientie-rung der MagnetisieOrientie-rung in einer Domänenwand abgebildet und ausgewertet [34, 48, 96–
100, 373] oder die Dynamik einer Domänenwand aufgezeichnet [24, 32, 50, 51, 127, 374–
377] wird. Zum anderen spiegelt sich die DMI in der Dispersion von Spinwellen wie-der [378, 379], die typischerweise über „Brillouin Light Scattering“ (BLS) [49, 50, 112–
114, 116, 120, 136–138, 380–384] oder die voll-elektrische „propagating spin wave spec-troscopy“ (PSWS) [40, 43, 119, 385–387] vermessen wird. Obwohl die zuvor genannten Methoden den Großteil der in dieser Arbeit zitierten DMI-Bestimmungen ausmachen, finden zusätzlich diverse weitere DMI-Bestimmung Anwendung. So lässt sich die DMI
aus den Abmaßen von Skyrmionen bestimmen [31, 157]. Bei bekanntem Profil der Skyr-mionen kann eine Profilmodellierung weiterhin Austausch, Anisotropie und DMI als drei unabhängige Fit-Parameter liefern [157]. Eine weitere Möglichkeit für eine Bestimmung der DMI stellt eine vollständige Energiebetrachtung in einem Domänengrößenmodell dar [31, 42, 91, 259, 388–391]. Ein solches Modell, in dem typischerweise ein Energiegleich-gewicht aus der Streufeldenergie von Domänen und der Domänenwandenergie hergestellt wird [31, 42, 147, 259, 388, 389, 391–396], ist von der präzisen Kenntnis der magnetischen Schichteigenschaften sowie der akkuraten Bestimmung der Steufeldenergie abhängig.
Obgleich die Untersuchung und systematische Bestimmung der DMI einzelner Grenzflä-chen erst vor wenigen Jahren begonnen hat, lassen sich in wissenschaftliGrenzflä-chen Fachzeit-schriften bereits eine Vielzahl an DMI-Bestimmungen ausmachen, die für verschiedene Probensysteme und Grenzflächen die DMI messen. Die vorliegende Arbeit beschränkt sich daher im Folgenden auf die DMI der Co/Ir- und der Co/Pt-Grenzfläche. Beide Grenzflä-chen sind bereits Gegenstand diverser Untersuchungen gewesen. Ein direkter Vergleich, der im Anschluss gegeben wird, zeigt jedoch auf, dass die Resultate zwischen verschiedenen Experimenten und Arbeitsgruppen eine starke Streuung aufweisen. Diese Abweichungen können auf unterschiedliche Probenbeschaffenheiten und Präparationsbedingungen hin-deuten.
Aus diesem Grund werden im Folgenden bestehende Messungen im Kontext der Proben-präparation diskutiert. Bis auf zwei Untersuchungen für die Co/Ir(111)-Grenzfläche fan-den die zitierten Untersuchungen [37, 48] ausnahmslos an Filmsystemen statt, die durch Sputterdeposition hergestellt wurden und eine von Anlage zu Anlage unterschiedliche Grenzflächenbeschaffenheit aufweisen. Auf diese mittels Sputterdeposition hergestellten Proben wird zunächst eingegangen und diskutiert, welche Aussagen sich aus den Unter-suchungen für die DMI der Co/Ir- und Co/Pt-Grenzflächen ableiten lassen. Im zweiten Unterkapitel 4.2.1 werden daraufhin die beiden publizierten Untersuchungen [37, 48] dis-kutiert, die thermisch aufgebrachte Kobaltlagen auf einem Ir(111)-Einkristall betrachten und somit einen Vergleich mit theoretischen Berechnungen ermöglichen sollten. Da bei-de Experimente sich nicht nur quantitativ, sonbei-dern bereits qualitativ (im Vorzeichen bei-der DMI) gegenseitig widersprechen, ist die Aussagekraft der Literatur für die Co/Ir(111)-Grenzfläche stark limitiert. Untersuchungen der DMI einer thermisch aufgebrachten Ko-baltschicht auf einem Pt(111)-Einkristall existieren bisher nicht.
Mittels Sputterdeposition hergestellte Proben
Motiviert durch die Beobachtung von Skyrmionen bei Raumtemperatur in [Pt/Co/Ir]n -Filmsystemen [31], die mittels Sputterdeposition hergestellt wurden, rückten polykristal-line Pt/Co/Ir-Schichtsysteme in den Fokus zahlreicher Untersuchungen [28, 31–35, 39–
43, 50, 53, 114, 376, 390, 397]. Die DMI ist als Grenzflächeneffekt jedoch auf die Grenz-flächenbeschaffenheit sensitiv [28, 32, 110, 398]. Ein durch Sputterdeposition hergestellter Film weist hingegen keine scharfen Grenzflächen auf der atomaren Ebene auf [43, 50], son-dern es muss neben einer Rauigkeit1auch von einer breiteren Durchmischungszone an den Grenzflächen ausgegangen werden [77, 316, 399–402]. Diese Durchmischungszone erstreckt sich abhängig von der Präparation über mehrere Atomlagen, sodass beispielsweise an einer Co/Pt-Grenzfläche σ= (3±1)ML [401, 403] mittels der am häufigsten verwendeten Ma-gnetronzerstäubung erzielt werden, während noch breitere Durchmischungszonen aus einer ECR2-Ionenstrahlzerstäubung [404] oder einem Hochfrequenzsputtern resultieren [77]. Es stellt sich daher die Frage, inwiefern an durch Sputterdesposition hergestellten Schichten eine intrinsische Eigenschaft der Co/Ir- bzw. Co/Pt-Grenzfläche gemessen werden kann und nicht ein durch die reduzierte Qualität der Grenzfläche abgeänderter Wert.
Einfluss der Grenzflächenbeschaffenheit Während qualitativ unbestritten ist, dass eine Materialdurchmischung an der Grenzfläche die DMI reduziert, wird der quantitative Einfluss einer solchen Durchmischung aktuell diskutiert und ist Gegenstand verschiede-ner Untersuchungen [32, 110, 375, 398, 402]. So finden Messungen der DMI an durch Sputterdeposition hergestellten Pt/Co/Pt-Systemen eine Abhängigkeit der DMI von den Präparationsbedingungen und können auf diese Weise einen Einfluss der Grenzflächen-beschaffenheit nachweisen [32, 402]. Über die Präparationsbedingungen hinaus ist nicht davon auszugehen, dass eine Platinschicht auf Kobalt das gleiche Wachstum wie eine Ko-baltschicht auf Platin zeigt. Als Folge lässt sich häufig eine DMI für ein nominell symmetri-sches System wie Pt/Co/Pt messen [32, 374, 375, 402]. Die in diesen Systemen auftretende DMI kommt durch die unterschiedliche Grenzflächenbeschaffenheit der Pt/Co- und der
1Die Rauigkeit einer Grenzfläche bezeichnet in der etablierten Verwendung eine kollektive Abweichung mehrerer Atome von einer scharfen Grenzfläche. Im Gegensatz dazu bezeichnet die Durchmischung (engl. intermixing, interdiffusion) die Abweichung einzelner Atome von einer scharfen Grenzfläche.
2Englisch:electroncyclotronresonance
Co/Pt-Grenzfläche zustande. Da die Beschaffenheiten von Grenzflächen zwischen unter-schiedlichen Experimenten abweicht, werden für das gleiche Materialsystem, Pt/Co/Pt, aber auch eine sehr geringe [43] oder im Rahmen des Fehlers verschwindene DMI [31, 32]
gemessen.
Berechnungen, die den Einfluss einer Materialdurchmischung an einer Co/Pt-Grenzfläche auf die DMI untersuchen, legen qualitativ eine Reduzierung der DMI durch eine Durch-mischungszone nahe [140, 398]. Beide zitierten Untersuchungen betrachten eine deutlich geringere Durchmischung als sie experimentell in gesputterten Schichten auftritt und lie-fern quantitativ keine Übereinstimmung [398].
Es lässt sich daher feststellen, dass die Grenzflächenbeschaffenheit und insbesondere eine Materialdurchmischung einen Einfluss auf die DMI haben. Sowohl die Frage, wie groß dieser Einfluss ist, als auch die Frage, wie sich dieser Einfluss materialabhängig verhält, konnten bisher nicht geklärt werden. Die zitierten Berechnungen [140, 398] betrachten des Weiteren ausschließlich die Materialdurchmischung an einer Co/Pt-Grenzfläche, doch es lässt sich vermuten, dass das Durchmischungsverhalten der DMI materialabhängig ist.
Zimmermann et al. [398] gehen davon aus, dass wegen der elektronischen Ähnlichkeiten zu Co/Pt(111) für die Co/Ir(111)-Grenzfläche ein vergleichbares Verhalten zu erwarten ist, haben dies jedoch nicht explizit untersucht.
Damit kann der Einfluss einer Materialdurchmischung auf die DMI in einer mittels Sput-terdeposition hergestellten Probe nicht vernachlässigt werden. Infolgedessen ist es mög-lich, dass an gesputterten Proben durch eine reduzierte Grenzflächenqualität abgeänderte Werte der DMI gemessen werden. Die entsprechend abgeleitete DMI ist dann keine intrin-sische Eigenschaft der eigentlichen Co/Ir- oder Co/Pt-Grenzfläche und soll im Folgenden als eine Art grobe Orientierung, nicht jedoch als genaue Angabe, verstanden werden.
Zusammenstellung veröffentlichter Werte Sowohl die DMI der Co/Pt- als auch die DMI der Co/Ir-Grenzfläche, wurden an Proben aus gesputterten Schichten bisher nicht isoliert gemessen. Untersucht werden ausschließlich Mehrfachlagensysteme, die durch eine Abdeckung vor einer Oxidation und auch Kontamination geschützt werden [35, 406].
Infolgedessen treten immer mindestens zwei Grenzflächen auf, die potenziell beide zu der resultierenden DMI des Schichtsystems beitragen können. Der Einfluss einer einzelnen
System DMI (Ds) Ref.
[pJ/m]
Beide Grenzflächen zusammen
Ir/Co/Pt +0,3 [51]
±0,6 [53]
+0,8 [32]
+1,0±0,2 [43]
+1,3 [390]
+1,4±0,1 [50]
+1,5 [28]
+1,6±0,2 [33]
+1,7±0,3 [405]
Pt/Co/Ir −0,7 [51]
−1,0±0,2 [43]
±1,2±0,3 [31]
±1,4±0,1 [42]
−1,6 [390]
Co/Pt-Grenzfläche
AlOx/Co/Pt +0,8 [390]
+1,4 [136]
+1,7±0,2 [114]
+2,2±0,2 [137]
Pt/Co/AlOx −1,2±0,2 [33]
−1,4 [390]
Al/Co/Pt +1,3 [51]
Cu/Co/Pt +0,6 [51]
±1,6 [53]
Co/Ir-Grenzfläche
AlOx/Co/Ir +0,9 [49]
Tabelle 4.1: Gegenüberstellung verschiedener DMI-Bestimmungen an durch Sputterdeposition hergestellten Filmsystemen. Um eine Vergleich-barkeit der Ergebnisse zu erzielen, wurden die Resultate in eine gemeinsame Einheit, dem auf die Grenzfläche bezogenen Parameter Ds, umge-rechnet. Hintergrundinformation zu den gemach-ten Angaben sowie den Umrechnungen sind im Anhang A.4 zu finden. Da die Experimente in den Referenzen [31, 42, 53] lediglich auf den Be-trag der DMI sensitiv sind, werden die entspre-chenden Werte ohne Vorzeichen (±) wiedergege-ben. Die einzelnen Messwerte weisen eine starke Streuung auf, die durch unterschiedliche Grenz-flächenbeschaffenheiten erklärbar ist. Dies ver-deutlicht, dass der Herstellungsprozess in Proben, die durch Sputterdeposition hergestellt wurden, einen signifikanten Einfluss hat. Es kann sich da-her stets um durch eine reduzierte Grenzflächen-qualität abgeänderte Werte handeln. Während in Ir/Co/Pt bzw. dem inversen System, Pt/Co/Ir, die Beiträge der Co/Pt und Ir/Co-Grenzfläche (bzw. Pt/Co- und Co/Ir-Grenzfläche) nicht sepa-riert werden können, wird bei Grenzflächen mit Cu, Al und AlOx von einer geringen DMI ausge-gangen (siehe Diskussion im Text). Es wird daher angenommen, dass an Cu/Co/Pt, Al/Co/Pt oder AlOx/Co/Pt die DMI der Co/Pt-Grenzfläche ge-messen werden kann und an AlOx/Co/Ir die DMI der Co/Ir-Grenzfläche. Alle Materialsysteme sind in der vorliegenden Arbeit links beginnend mit der obersten Lage angegeben, sodass sich das Substrat in der gesamten Arbeit auf der rechten Seite be-findet.
Co/Pt- oder Co/Ir-Grenzfläche lässt sich aus diesen Messungen nur entnehmen, wenn sichergestellt ist, dass die DMI der zweiten Grenzfläche vernachlässigbar ist. So wird bspw. in einer Pt/Co/Ir-Schichtsequenz die effektive DMI, die sich aus der Summe des Beitrages der Pt/Co- und der Co/Ir-Grenzfläche ergibt, gemessen [37].
In der Tabelle 4.1 sind diverse Bestimmungen der DMI für verschiedene Co/Ir- und Co/Pt-Systeme mit der entsprechenden Referenz aufgelistet. Um eine Vergleichbarkeit einzelner Ergebnisse zu erzielen, werden die Resultate in eine gemeinsame Einheit, dem auf die Grenzfläche bezogenen Parameter Ds, umgerechnet. Hintergrundinformation zu den ge-machten Angaben und sind im Anhang A.4 zu finden.
Für gleiche Materialstapelungen lassen sich zwischen den bestehenden Resultaten teil-weise deutliche Abweichungen erkennen. Abgesehen davon, dass auch Ungenauigkeiten durch die jeweiligen Messverfahren denkbar sind, bekräftigt die Streuung der angege-benen Werte die Abhängigkeit der DMI von der Grenzflächenbeschaffenheit und somit den Herstellungsparametern. Da die Proben in ihrer Beschaffenheit nicht nur unterein-ander variieren, sondern auch alle systematisch von einer idealen Probe mit perfekten Grenzflächen abweichen, kann des Weiteren nicht davon ausgegangen werden, dass die angegebenen Messwerte um die DMI einer solchen idealen Probe, wie sie bzw. in Ab-initio-Berechnungen betrachtet wird, streuen. Die Angaben in der Tabelle 4.1 sind daher als Orientierungswerte der DMI zu verstehen und lassen insofern keine direkten Aussagen über die DMI als intrinsische Eigenschaft der Co/Ir(111)- oder Co/Pt(111)-Grenzflächen zu.
Trotz der Abweichungen zwischen den Experimenten lässt sich beobachten, dass für Ir/Co/Pt-Systeme ausschließlich eine positive DMI zwischenDs = 0,3pJ/m und1,7pJ/m und für das umgekehrte System Pt/Co/Ir ausschließlich eine negative DMI zwischen Ds =−0,7pJ/m und −1,6pJ/m gemessen wird. Im Rahmen der Unterschiede zwischen den Experimenten liefern beide Schichtsequenzen auch Werte, die im Betrag vergleichbar sind. Wie bereits in dem Kapitel 2.1.4 erörtert wurde, wechselt die DMI ihr Vorzeichen, wenn eine Probe umgedreht wird und daher Ir/Co/Pt in Pt/Co/Ir überführt wird. In einem Experiment kommt es wachstumsbedingt natürlich zu Unterschieden, wenn bspw.
Kobalt auf Iridium aufgebracht wird anstelle von Iridium auf Kobalt. Der breite
Wer-tebereich, in dem sich die bestimmten DMI-Parameter befinden, lässt diesbezüglich eine genauere Aussage jedoch nicht zu.
Die ausschließlich positive DMI der Ir/Co/Pt-Systeme verdeutlicht, dass die DMI einer Co/Pt-Grenzfläche übereinstimmend in allen Experimenten signifikant größer ist als die DMI einer Co/Ir-Grenzfläche. Die negative DMI der betrachteten Pt/Co/Ir-Systeme zeigt analog, dass die DMI einer Co/Ir-Grenzfläche in allen Experimenten signifikant kleiner ist als die DMI einer Co/Pt-Grenzfläche. Experimentell lassen sich in den Ir/Co/Pt- bzw.
Pt/Co/Ir-Schichten die Beiträge beider Kobaltgrenzflächen nicht separieren. Wird für Pt/Co/Pt eine vernachlässigbare geringe DMI wie bspw. in [31, 32, 43, 375] gemessen, so lässt sich jedoch schließen, dass die DMI der Co/Pt-Grenzfläche entsprechend zwischen 0,3pJ/m und 1,7pJ/m größer ist als die DMI der Co/Ir-Grenzflächen.
Um die Beiträge beider Grenzflächen zu separieren, ist es erforderlich die DMI der Co/Ir-oder der Co/Pt-Grenzfläche isoliert ohne den Einfluss einer weiteren Grenzfläche betrach-ten zu können. Da eine zweite Kobaltgrenzfläche jedoch notwendigerweise vorhanden ist, wird im Allgemeinen versucht an dieser Grenzfläche keine oder nur einer vernachlässigbare DMI hervorzurufen. In der vorliegenden Arbeit (vgl. Kapitel 6) und auch in [48, 97, 99]
wird dies beispielsweise realisiert, indem die zweite Grenzfläche der ferromagnetischen Schicht eine Vakuumgrenzfläche ist, die über den von Fert und Levy vorgeschlagenen Mechanismus keine DMI hervorrufen kann und über den Rashba-Effekt nur einen ge-ringfügigen Beitrag erwarten lässt (siehe Diskussion in Abschnitt 2.1.4). Aufgrund des mit einem UHV-Experiment verbundenen Aufwandes wird dies allerdings nicht an durch Sputterdeposition hergestellten Proben durchgeführt und es werden stattdessen an der zweiten Grenzfläche Materialien aufgebracht, von denen ausgegangen wird, dass die DMI vernachlässigbar oder zumindest klein ist.
Mutmaßliche Messungen der einzelnen Grenzflächen Wie die Tabelle 4.1 zeigt, finden Grenzflächen mit Kupfer [51, 53, 407], Aluminium [51, 377] oder AlOx-Schichten [33, 49, 114, 135–137, 390] Verwendung, um die DMI einer einzelnen Grenzfläche isoliert zu bestimmen. Wegen der Elektronenkonfiguration von Kupfer wird davon ausgegangen, dass die Spinbahnwechselwirkung einer Kupferlage vernachlässigbar gering ist und somit auch die DMI an einer Cu/Co-Grenzfläche. Insofern dies zutrifft, liefern
Untersuchun-gen eines Cu/Co/Pt-Schichtsystems [51, 53] dann direkt AussaUntersuchun-gen über die DMI der Co/Pt-Grenzfläche. Auch für eine Aluminiumschicht lässt sich argumentieren, dass auf-grund der relativ geringen Kernladungszahl von Aluminium mit einer nur vernachlässig-baren DMI durch den von Levy und Fert vorgeschlagenen Mechanismus zu rechnen ist.
AlOx-Schichten wiederum können durch Plasmaoxidation einer Aluminiumschicht herge-stellt werden [49, 136, 407] und stellen einen starken Isolator dar. Wie in dem Abschnitt 2.1.4 herausgearbeitet wurde, lässt das Fert-Levy-Modell gar keine DMI für Grenzflächen mit Isolatoren erwarten. Da für die Co/AlOx-Grenzfläche jedoch von einem signifikanten Rashba-Effekt ausgegangen wird [181], kann das Auftreten einer „Rasba-DMI“ an einer Co/AlOx-Grenzfläche nicht ausgeschlossen werden. Tatsächlich lassen sich bezüglich der DMI der genannten Grenzflächen widersprüchliche Angaben in wissenschaftlichen Fach-zeitschriften finden.
Obgleich Yang et al. [36] nicht direkt Co/AlOx, sondern Co/MgO betrachten, finden sie in Ab-initio-Berechnungen tatsächlich eine DMI über den Rashba-Effekt, die deutlich größer als im Fall von Iridium ist. Unabhängig zu dieser Veröffentlichung haben Frei-muth et al. [107] zuvor die DMI von Co/Pt(111), O/Co/Pt(111) und Al/Co/Pt(111) berechnet und fanden jeweils2,7pJ/m,3,6pJ/m und5,0pJ/m. Zum einen leiten die Wis-senschaftler damit auch eine verhältnismäßig große DMI für die Co/Al-Grenzfläche von rund −2,3pJ/m ab und zum anderen lassen die Berechnungen vermuten, dass auch die Co/AlOx-Grenzfläche eine nicht vernachlässigbare DMI hervorruft.
Im Kontrast hierzu zeichnen Messungen der DMI an durch Sputterdeposition hergestellten Filmsystemen ein anderes Bild. Kim et al. [407] messen den Einfluss beider Grenzflächen einer AlOx/Co/Pt-Probe, indem sie zwischen AlOx und Co sowie zwischen Co und Pt jeweils eine Kupferlage einfügen. Während der Einbau von Kupfer zwischen AlOx und Co keinen Einfluss auf die DMI zeigt, lässt sich beobachten, dass die DMI durch den Einbau von Kupfer zwischen Co und Pt verschwindet. Dieses Experiment zeigt daher, dass eine Co/AlOx-Grenzfläche im Rahmen des Fehlers3 die gleiche DMI wie eine Co/Cu-Grenzfläche erzeugt. Es liegt nahe, dass beide Co/Cu-Grenzflächen keine DMI hervorrufen oder zumindest eine eher als klein einzuschätzende DMI Ds <0,3pJ/m3. Unter der Annahme, dass die Al/Co-Grenzfläche keine DMI hervorruft, finden Ajejas et al. [51] jedoch für
3Das Detektionslimit der BLS-Untersuchung liegt bei 0,2mJ/m2. Bezogen auf eine Kobaltschichtdicke von1,1nm entspricht dies daher einem Limit vonDs= 0,3pJ/m.
die Cu/Co-Grenzfläche einen kleinen, aber nicht vernachlässigbaren Wert der DMI von Ds = 0,3pJ/m.
Zusammenfassend lässt sich daher folgern, dass für alle drei Grenzflächen Co/Cu, Co/Al und Co/AlOxkeine hohe DMI zu erwarten ist. Weder aus experimentellen Untersuchungen der DMI noch aus der Theorie geht direkt hervor, dass die DMI für eine dieser Grenz-flächen tatsächlich verschwindet. Die beobachteten Größenordnungen in [51, 407] liegen jedoch innerhalb der Variationen, die ohnehin durch unterschiedliche Grenzflächenbeschaf-fenheiten der Proben bestehen. Rechnungen der DMI [107] legen sogar nahe, dass insbe-sondere eine Co/O- oder Co/Al-Grenzfläche signifikante Beiträge zur DMI liefern kann und damit die mutmaßlichen Messungen der DMI einer Co/Pt- oder Co/Ir-Grenzfläche verfälscht. Da die bisherigen Veröffentlichungen kein eindeutiges Bild zeichnen, inwie-fern die DMI der besagten Grenzflächen vernachlässigbar ist, ist diese Annahme nur be-dingt belastbar. Untersuchungen der DMI an den Systemen Pt/Co/AlOx, AlOx/Co/Pt, Al/Co/Pt und Cu/Co/Pt können somit eingeschränkt eine Aussage über die DMI der Pt/Co- bzw. Co/Pt-Grenzfläche liefern.
Die in Tabelle 4.1 angegebenen Werte deuten daher nur an, dass die Co/Pt-Grenzfläche eine DMI zwischen Ds = 0,8pJ/m und2,2pJ/m hervorruft. Auch hier können die Abwei-chungen, die zwischen den Experimenten bestehen, als Resultat einer nicht einheitlichen Grenzflächenbeschaffenheit verstanden werden. So bestimmen Kim et al. [136, 137] an einem AlOx/Co/Pt-Schichtsystem, das direkt auf einem SiO2-Substrat aufgebracht wird, eine DMI von Ds = 1,4pJ/m. Die zusätzliche Verwendung einer Ta-Wachstumsschicht (d.h. AlOx/Co/Pt/Ta/SiO2), sorgt bereits dafür, dass dieselben Wissenschaftler unter sonst gleichen Bedingungen eine DMI von Ds = (2,2±0,2)pJ/m ableiten können. Den in der Tabelle 4.1 angegebenen Wert von Ds = 1,7pJ/m, der zwischen diesen beiden Werten liegt, wird von Belmeguenai et al. [114] ebenfalls an einer Probe mit einer Ta-Wachstumsschicht gemessen, die jedoch etwas dünner ist als in der Untersuchung von Kim et al. [137]. Deutlich wird damit, dass die einzelnen Bestimmungen der DMI zueinander konsistent sind und die Abweichungen durch eine reduzierte Grenzflächenqualität erklär-bar sind. Anzunehmen ist daher auch, dass der angegebene Wert von Ds = 2,2pJ/m an einem System gemessen wurde, das dem idealen System einer Berechnung am nächsten kommt. Es ist jedoch weiterhin möglich, dass auch dieser Wert durch die Grenzflächen-beschaffenheit gegenüber der idealen Grenzfläche reduziert ist.
Im Rahmen der Abweichungen zwischen den Experimenten, sind die DMI-Messwerte der mutmaßlichen Co/Pt-Grenzflächen vergleichbar mit den Werten der Ir/Co/Pt-Systeme.
In den Referenzen [51, 53] werden beide Systeme untersucht, sodass gleiche Präparations-bedingungen der Co/Pt-Grenzfläche vorliegen. In beiden Publikation wird abgeleitet, dass die Co/Pt-Grenzfläche eine größere DMI hervorruft als für Ir/Co/Pt mit einer zusätzlichen Ir/Co-Grenzfläche beobachtet wird. So wird in [51] für Ir/Co/Pt eine DMI von Ds = 0,3pJ/m gemessen. Wird jedoch das Iridium, das sich auf dem Kobalt befindet, durch Aluminium ersetzt so lässt sich eine DMI von Ds = 1,3pJ/m beobachten. Da Platin und Kobalt beide vor dem Aluminium bzw. dem Iridium in dem gleichen Experiment unter den gleichen Bedingungen aufgebracht wurden, ist in beiden Proben von identischen Co/Pt-Grenzflächen auszugehen. Unter der Annahme einer verschwindenden DMI der Al/Co-Grenzfläche entspricht dies somit einer negativen DMI der Ir/Co-Grenzfläche von Ds = −1,0pJ/m [51]. Analog lässt sich mit den Werten aus [53] argumentieren, dass eine negative DMI für die Ir/Co-Grenzfläche zu erwarten ist und somit eine positive DMI für die umgekehrte Co/Ir-Grenzfläche. Diese Untersuchungen legen daher nahe, dass für Co/Ir das gleiche Vorzeichen der DMI wie für Co/Pt vorliegt und es nicht zu dem von Ab-initio-Berechnungen vorhergesagten Aufsummieren kommt, wenn Kobalt in einer Schichtsequenz zwischen Platin und Iridium aufgebracht wird [36]. Stattdessen leiten die beiden diskutierten Experimente [51, 53] ab, dass die DMI der Ir/Co-Grenzfläche in einem Ir/Co/Pt-Schichtsystem dem DMI-Beitrag der Co/Pt-Grenzfläche entgegenwirkt. Dieser Befund stimmt auch mit dem Experiment von Kimet al.[49] überein, die für AlOx/Co/Ir in der Tat eine positive DMI finden.
Obwohl Resultate der durch Sputterdeposition hergestellten Proben sich nicht direkt auf ideale Grenzflächen, die in Berechnungen der DMI betrachtet werden, übertragen las-sen, besteht an dieser Stelle bereits ein deutlicher Widerspruch zwischen Experiment und Theorie. Während theoretische Berechnungen (Diskussion folgt in dem Abschnitt 4.2.2) ausnahmslos ein negatives Vorzeichen für die Co/Ir-Grenzfläche finden, legen diese Experimente das Gegenteil nahe. Die experimentellen Messungen der DMI müssen sich dabei jedoch stets auf die Annahme, dass die DMI einer Cu/Co-, Al/Co- oder AlOx /Co-Grenzfläche vernachlässigbar ist stützen. Ein weiterer Unterschied zwischen Experiment und Theorie liegt in der Tatsache, dass die Experimente an durch Sputterdeposition her-gestellten Schichtsystemen keine idealen Grenzflächen aufweisen, da es zu einer
signifikan-ten Materialdurchmischung kommt und in den meissignifikan-ten Fällen auch polykristalline Filme vorliegen. In einem naiven Bild ist jedoch zu erwarten, dass beispielsweise eine Materi-aldurchmischung die DMI im Betrag reduziert, nicht aber eine relativ große DMI mit umgekehrten Vorzeichen verursacht. Ohne weitere Informationen ist es an dieser Stelle nicht möglich zu beantworten, ob die Grenzflächenbeschaffenheit eine solch fundamentale Diskrepanz zwischen Experiment und Theorie verursachen kann. An dieser Stelle sorgen insbesondere Untersuchungen der DMI an Grenzflächen, die als nahezu ideal angesehen werden können, für Klarheit.
DMI-Bestimmungen der nahezu idealen Systeme
In dem vorhergehenden Kapitel wurde herausgearbeitet, dass Messungen der DMI an Filmsystemen, die durch Sputterdeposition hergestellt wurden, Werte finden, die durch die reduzierte Grenzflächenbeschaffenheit und insbesondere eine Materialdurchmischung ver-ändert sind. Diese Resultate sind daher für die ideale Grenzfläche, wie sie in Berechnungen betrachtet wird, nur bedingt aussagekräftig. Um die maximal mögliche Vergleichbarkeit mit Ab-initio-Berechnungen herstellen zu können, kann daher die DMI an nahezu idealen Co/Ir(111)- oder Co/Pt(111)-Proben bestimmt werden, deren Kobaltlagen thermisch auf einem gereinigten Einkristall aufgebracht werden. Wie in dem Kapitel 6 diskutiert wird, ist dann eine Materialdurchmischung vernachlässigbar und es liegt eine hohe kristalline Ordnung vor.
Ein solches Experiment wurde für das System Co/Pt(111) bisher noch nicht durchgeführt und in der Literatur lassen sich lediglich zwei entsprechende Untersuchungen [37, 48]
der DMI für die Co/Ir(111)-Grenzfläche finden. Beide Veröffentlichungen widersprechen sich jedoch quantitativ und qualitativ, sodass letztlich nicht einmal das Vorzeichen als experimentell gesichert angesehen werden kann.
Perini et al. [37] untersuchen mit einem spinpolarisierten Rastertunnelmikroskop (SP-STM) [353] eine pseudomorphe Kobaltmonolage auf einem Ir(111)-Einkristall. Die Wissen-schaftler bilden Domänenwände in dieser Kobaltlage ab, können jedoch die Orientierung der Magnetisierung in den Domänenwänden nicht direkt messen. Mit Hilfe eines externen Magnetfeldes, das in der Filmebene ausgerichtet ist, lässt sich jedoch eine Verkippung der
Domänenwände erzeugen, die konzeptionell als Maß der DMI verwendet werden kann. Da die beobachtete Verkippung jedoch sowohl durch eine wechselwirkende Spitze verändert wird als auch durch Fremdkörper an verschiedenen Stellen fixiert wird (engl. pinning), kann lediglich das Vorzeichen der DMI auf diese Weise bestimmt werden, nicht jedoch der Wert. Perini et al. finden eine negative DMI und eine Magnetisierung, die sich im Uhrzeigersinn (clockwise) dreht [37]. Ihr Experiment stimmt daher mit sämtlichen Ab-initio-Berechnungen [36, 37, 54] überein, jedoch nicht mit den Resultaten, die zuvor aus gesputterten Filmen geschlossen wurden.
Im Gegensatz dazu berichten Chen et al. [48] genau das Gegenteil, eine Magnetisierung, die sich in einer Domänenwand gegen den Uhrzeigersinn (anticlockwise) dreht, und somit eine positive DMI. Mit Hilfe eines SPLEEMs (engl. Spin-Polarized Low-Energy Electron Microscope) untersuchen Chen et al. magnetische Domänenwände in dem thermisch auf-gedampften Achtlagensystem [Ni2ML/Co1ML]4/Co1ML auf einem Ir(111)-Einkristall. Da ein SPLEEM die Abbildung aller drei Magnetisierungskomponenten nacheinander ermög-licht, lassen sich reine Néelwände mit einer Rotation der Magnetisierung gegen den Uhrzei-gersinn nachweisen. Dieser Rotationssinn entspricht gemäß Definition in Abschnitt 2.1.4 direkt einer positiven DMI. Des Weiteren beobachten Chenet al.im Rahmen der Genauig-keit reine Blochwände, wenn zwei weitere Monolagen Kobalt auf dieser Probe aufgebracht werden. Beide Beobachtungen werden genutzt, um daraus die DMI abzuschätzen4. Die beiden einzigen Untersuchungen, die Aussagen über die DMI als intrinsische Eigen-schaft einer Co/Ir(111)-Grenzfläche zulassen, liefern somit widersprüchliche Vorzeichen der DMI. Während Perini et al. [37] Domänenwände in einer einzelnen Kobaltmonolage auf einem Ir(111)-Einkristall betrachten, untersuchen Chenet al.[48] ein System aus meh-reren alternierenden Kobalt- und Nickellagen. Obgleich Letztere daher auch zusätzliche Ni/Co- und Co/Ni-Grenzflächen in ihrer Probe vorliegen haben, lässt sich der Einfluss die-ser Grenzflächen auf die DMI vernachlässigen, zumal diese Grenzflächen sich gegenseitig kompensieren. Beide Systeme sollten daher nach aktuellem Wissenstand die gleiche DMI
4Der in [48] veröffentlichte Wert der DMI basiert implizit auf der Annahme eines plötzlichen Übergangs von einer reinen Néel- zu einer reinen Bloch-Wand bei einer kritischen Schichtdicke. Diese Annahme ist, wie analytische Berechnungen [22, 147, 388], mikromagnetische Modellierung [22, 100, 147] und experimentelle Untersuchungen [96, 99, 100] zeigen, nicht haltbar. Da die korrespondierenden Autoren dieser Studie trotz mehrfacher Kontaktaufnahme nicht reagiert haben, konnte dieses jedoch nicht mit den Autoren der Studie diskutiert werden. Weitere Informationen sind im Abschnitt 6.2.4 zu finden .
besitzen. Wie erst im Rahmen der vorliegenden Arbeit herausgearbeitet wird (Abschnitt 6.2.4), lässt sich davon ausgehen, dass in [48] jedoch mehrere Fehler4 unterlaufen sind, die sowohl zu dem widersprüchlichen Vorzeichen als auch zu einem nicht korrekt abgeleiteten Betrag der angegebenen DMI führen.