Magnetische Eigenschaften

MOKE-Hysteresekurven wurden sowohl für eine polare als auch longitudinale Konfiguration an den selben Proben gemessen, die zuvor mit RHEED und Röntgenbeugung untersucht wurden. Dabei zeigt sich eine senkrechte magnetische Anisotropie (englisch:

perpendicular magnetic anisotropy, PMA) für Aufdampftemperaturen unterhalb 150°C. Ab 150°C dreht die leichte Achse der Magnetisierung kontinuierlich in die Filmebene hinein in Übereinstimmung mit MOKE-Kurven, die aus der longitudinalen Konfiguration erhalten wurden (siehe Abb. 5.13). Für Aufdampftemperaturen größer als 300°C liegt die leichte Achse der Magnetisierung in der Filmebene.

-1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 -1,0 -0,5

0,0 0,5 1,0

-2,0 -1,5 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 -1,0

-0,5 0,0

0,5 1,0

Magnetfeld [kOe]

T = RT_dep

T = 150°C_dep

T = 300°C_dep

polar long.

Kerr Rotation [mrad]

polar long.

polar long.

Abb. 5.13: MOKE-Hysteresekurven der 30 Å dicken einkristallinen granularen Filme für Aufdampftemperaturen zwische Raumtemperatur und 300°C in polarer und in longitudinaler Messgeometrie.

CoPt₃ hat eine kubische Symmetrie in der L1₂-Phase und in der ungeordneten (fcc) Phase.

Deshalb würde man keine uniaxiale magnetische Anisotropie erwarten. Es wurde aber gezeigt, dass es sich in dünnen CoPt₃-Filmen und Co-Pt-Multischichten um eine senkrechte uniaxiale magnetische Anisotropie handelt [Li92], [Hu93], [We93]. Es wird deshalb im Folgenden ebenfalls von einer senkrechten magnetischen Anisotropie der granularen Filme und der isolierten Nanostrukturen ausgegangen.

Die im Folgenden gezeigten MOKE-Hysteresekurven sind alle in polarer Messgeometrie aufgenommen, da das Auftreten der PMA in Abhängigkeit der Filmdicke und Aufdampf-temperatur untersucht wird.

0,0 1,0 2,0 3,0

Abb. 5.14: MOKE-Hysteresekurven in polarer Messgeometrie von 30 Å dicken granularen CoPt₃-Filmen in Abhängigkeit der Aufdampftemperatur.

In Abb. 5.14 ist gezeigt, wie die leichte Achse der Magnetisierung mit zunehmender Aufdampftemperatur in die Filmebene hineindreht. Für die granularen Filme, die bei Raumtemperatur bzw. 100°C aufgedampft wurden, erhält man eine rechteckige Hysterese-kurve mit einer Koerzitivfeldstärke von 300 Oe bzw. 150 Oe. Oberhalb 100°C verschwindet die PMA kontinuierlich. Dieses Verhalten ist analog einer Volumenprobe [Ro95, Ma97, Sh99] mit dem Auftreten der L1₂-Phase verknüpft, da diese zu einer perfekten isotropen kurzreichweitigen Ordnung führt. Im Vergleich zu Volumenproben, bei denen eine senkrechte magnetische Anisotropie zwischen 200 und 400°C auftritt (siehe Abb. 5.2), wurde der Temperaturbereich, in dem PMA bei den granularen Filmen auftritt, durch das Aufdampfen von CoPt₃ auf WSe2 bis hin zu Raumtemperatur verschoben (siehe auch Abb. 5.17), was durch die granulare Morphologie der Filme und durch die Facettierung der einzelnen Nanostrukturen erklärt wird.

Die Ursache der PMA von 30 Å dicken Filmen zwischen RT und 100°C muss noch näher untersucht werden. Eine Verspannung der Filme in der Filmebene, die mit Röntgenbeugung gemessen wurde, kann wegen einer positiven magnetostriktiven Konstante der CoPt₃ -Legierung [Ha89] nicht zu PMA führen. Es sind EXAFS Messungen an diesen Filmen geplant, um jegliche anisotrope chemische Ordnung zu detektieren, die in ungeordneten Volumenproben als Ursprung der PMA gefunden wurde [Ma97].

In Abb. 5.15 sind Hysteresekurven einer Serie von 10 Å, 30 Å, 50 Å und 100 Å dicken granularen CoPt₃-Filmen gezeigt, die bei Raumtemperatur und bei 200°C aufgedampft wurden. Die bei 200°C hergestellten Filme zeigen eine langreichweitige chemische Ordnung, die mit der Filmdicke kleiner wird (siehe Abb. 5.12). Die bei Raumtemperatur hergestellte Proben zeigen keine chemische Ordnung.

err Rotation [mrad]

Abb. 5.15: MOKE-Hysteresekurven einer Serie von 10 Å bis 100 Å dicken granularen CoPt₃-Filmen, die bei Raumtemperatur und bei 200°C aufgedampft wurden.

Für eine Bedeckung von 10 Å erhält man in beiden Diagrammen keine Hysterese-Kurven, da die Sensitivität der MOKE-Apparatur dafür nicht ausreichte.

Die Proben, die bei Raumtemperatur hergestellt wurden, zeigen bei 30 Å und 50 Å dicken granularen Filmen eine senkrechte magnetische Anisotropie, d.h. K_u ≠ 0. Bei dem 100 Å dicken Film dreht die leichte Achse der Magnetisierung in die Filmebene hinein. Für eine Volumenprobe erhält man bei Raumtemperatur einen Wert für K_u = 0 , was besagt, dass die leichte Achse der Magnetisierung in der Ebene liegt. Das bedeutet, dass sich die granularen CoPt₃-Filme ab einer Dicke von 100 Å wie eine Volumenprobe verhalten.

In den Filmen, die bei 200°C aufgedampft wurden und somit eine dickenabhängige langreichweitige chemische Ordnung aufweisen, liegt die leichte Achse der Magnetisierung für eine Dicke von 30 Å in der Filmebene; für 50 Å und 100 Å erhält man eine senkrechte magnetische Anisotropie. In der 30 Å dicken Probe ist der chemische Ordnungsparameter sehr groß, was zu einer leichten Achse in der Filmebene führt. Da der chemische Ordnungsparameter mit der Filmdicke abnimmt, wird er in den 50 Å und 100 Å dicken Filmen immer kleiner und die Richtung der leichten magnetischen Achse steht für diese Filmdicken ebenfalls analog einer CoPt₃-Volumenprobe senkrecht zur Filmebene.

Mittels SQUID-Hysteresekurven kann die magnetische Anisotropieenergie bestimmt werden. Dabei wird angenommen, dass die Proben eine uniaxiale Anisotropie zeigen. Die effektive uniaxiale Anisotropieenergie (K_eff = K_u – 0,5·µ₀·M_S²) ergibt sich aus der Fläche zwischen Hysteresekurven, die in senkrechter und paralleler Messgeometrie aufgenommen wurden. Da der Wert M_S für die Sättigungsmagnetisierung in die Formel eingeht, ist eine Bestimmung von K_eff mittels MOKE-Hysteresekurven nicht möglich.

In Abb. 5.16 sind SQUID-Hysteresekurven von 30 Å und 90 Å dicken granularen CoPt₃(111)-Filmen, die beide bei Raumtemperatur auf WSe₂(0001) aufgedampft wurden, gezeigt. Die Einblendung zeigt Hysteresekurven eines ebenfalls 30 Å dicken CoPt₃ (111)-Filmes, der gleichzeitig mit dem 30 Å dicken granularen CoPt₃-Film hergestellt wurde. Dazu

wurde ein WSe₂(0001) Substrat und ein Al₂O₃(0001) Substrat, auf dem vorher ein Pt(111)-Film aufgedampft wurde, auf dem Probenhalter befestigt.

-15 -10 -5 0 5 10 15-600

Abb. 5.16: SQUID-Hysteresekurven von 30 Å und 90 Å dicken granularen CoPt₃(111)-Filmen, die beide bei Raumtemperaur auf WSe₂(0001) aufgedampft wurden. Die Einblendung zeigt Hysteresekurven eines ebenfalls 30 Å dicken CoPt₃(111)-Filmes, der unter identischen Bedingungen auf Pt(111) aufgedampft wurde.

Für den 30 Å dicken granularen Film erhält man eine senkrechte magnetische Anisotropie mit einer Anisotropieenergie K_eff = 0,15 MJ/m³ und für den 90 Å dicken Filme eine Aniso-tropieenergie K_eff = -0,04 MJ/m³, was bedeutet, dass die leichte Achse der Magnetisierung in der Filmebene liegt. Es zeigt sich hier ebenfalls, dass sich die 90 Å dicke Probe wie eine Volumenprobe verhält, da in dieser die leichte Achse der Magnetisierung ebenfalls in der Filmebene liegt [Ro95, Ma97]. Der 30 Å dicke Film, der auf Pt(111) simultan aufgedampft wurde, zeigt hingegen keine senkrechte magnetische Anisotropie, d.h. nicht nur die Filmdicke, sondern auch das Substrat WSe₂, das zu einem granularen Film führt, spielt eine entscheidende Rolle.

In Abb. 5.17 ist ein Vergleich der Temperaturabhängigkeit der uniaxialen magnetischen Anisotropieenergieen von 30 Å dicken granularen CoPt₃-Filmen und 3000 Å dicken CoPt₃ -Filmen gezeigt. In den granularen -Filmen mit einer Dicke von 30 Å erhält man bereits bei einer Aufdampftemperatur von 20°C ein Maximum für die senkrechte magnetische Anisotropieenergie, das in den 3000 Å dicken Filmen bei einer Aufdampftemperatur von 400°C liegt. Die uniaxiale magnetische Anisotropieenergie fällt in den granularen Filmen für höhere Aufdampftemperaturen kontinuierlich ab und ist ab 200°C fast völlig verschwunden.

Es zeigt sich deutlich, das die Aufdampftemperatur, bei der das Maximum in der uniaxialen magnetischen Anisotropieenergie auftritt, durch die granulare Morphologie der Filme bis auf Raumtemperatur erniedrigt werden konnte.

0 100 200 300 400 500 600 0.0

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

0.8 3000Å CoPt₃(111) auf Pt(111) 30Å CoPt₃(111) auf WSe (0001)₂

Aufdampftemperatur [°C]

K [MJ/m]u3

Abb. 5.17: Vergleich der Temperaturabhängigkeit der uniaxialen magnetischen Anisotropieenergieen von 30 Å dicken granularen CoPt₃-Filmen und 3000 Å dicken CoPt₃-Filmen.

Die Morphologie der magnetischen Domänen von granularen CoPt₃-Filmen, die bei Raumtemperatur hergestellt wurden, wurde mittels eines PEEM (Photoemission Electron Microscopy) untersucht. Dies geschah in Zusammenarbeit mit Dr. Manfred Albrecht und Dr.

Simone Anders vom IBM Almaden Research Center, USA an der Advanced Light Source in Berkley, USA.

In einem PEEM-Experiment wird die Probe mit einem polarisierten Lichtstrahl bestrahlt.

Durch Photoeffekt werden Sekundärelektronen emittiert und mittels elektrostatischer Linsen auf einen Fluoreszensschirm fokussiert. Die Anzahl der herausgelösten Elektronen hängt bei magnetischen Proben wegen des magnetischen Dichroismus von der relativen Orientierung der Lichtpolarisation zu der magnetischen Vorzugsrichtung ab [Schü87]. Als polarisierter Lichtstrahl wurde in diesen Experimenten ein zirkular polarisierter Röntgenstrahl verwendet.

Das gewonnene Bild wird mit einer hochauflösenden CCD-Kamera aufgenommen. Man sieht in diesen Bildern helle und dunkle Stellen, die magnetischen Domänen entsprechen, deren leichte Achse der Magnetisierung aus der Probenebene heraus- bzw. hineinzeigt.

In Abb. 5.18 sind PEEM-Bilder von a) 30 Å und b) 60 Å dicken granularen CoPt₃ (111)-Filmen gezeigt, die bei Raumtemperatur auf WSe₂(0001) aufgedampft wurden. Man sieht in beiden Bildern nur zwei verschiedene Helligkeitsstufen, die sich beim Drehen der Probe nicht veränderten. Das bedeutet, dass die Richtung der Magnetisierung in beiden Proben senkrecht zur Probenoberfläche steht, was für beide Proben mittels SQUID-Messungen bestätigt ist.

Man erhält in beiden Filmen ein mäanderförmiges Domänenmuster, welches im 60 Å dicken CoPt₃-Film mit kleinen blasenartigen Domänen überlagert ist. Die mittlere Domänengröße verringert sich von 8 µm zu 3 µm bei Erhöhung der Filmdicke von 30 Å auf 60 Å.

10 mµ a)

5 mµ b)

Abb. 5.18: PEEM-Bilder von a) 30 Å und b) 60 Å dicken granularen CoPt₃ (111)-Filmen, die bei Raumtemperatur auf WSe₂(0001) aufgdedampft wurden.

Bei der Erhöhung der Filmdicke in Filmen mit senkrechter magnetischer Anisotropie, kann die Magnetisierung ihre senkrechte Ausrichtung zur Filmebene nur beibehalten, falls gleichzeitig die Formenergie der einzelnen Domänen verringert wird [Ka93]. Dies führt zu kleineren Domänen. Das zusätzliche Auftreten von den kleinen Domänen (d ≈ 1 µm) in dem 60 Å dicken CoPt₃-Film, die eine entgegengesetzte Magnetisierungsrichtung bezüglich den größeren Domänen haben, führt zu einer zusätzlichen Reduzierung der magnetostatischen Energie innerhalb der großen Domänen. Ein ähnliches Verhalten für diese Dicken-abhängigkeit der Domänengröße wurde in ultradünnen Ni- und Co-Filmen [Bo95], [Sp95]

gefunden, welche ebenfalls eine senkrechte magnetische Anisotropie zeigten.