Kurzfassung:
Im Rahmen dieser Arbeit wurden ultradünne
ferromagnetische Filme und Vielfachlagen der 3d-Übergangsmetalle
mittels Ferromagnetischer Resonanz untersucht. Diese Methode erlaubt
nicht nur die sehr genaue Messung von Anisotropiefeldern, sondern sie
ermöglicht es auch, die Interlagenaustauschkopplung in absoluten
Einheiten zu bestimmen, was mit anderen Meßtechniken so nicht
möglich
ist. Dabei lag das Hauptaugenmerk auf Dreifachlagen mit zueinander
senkrechten oder verkippten Magnetisierungen. Zweites wesentliches Ziel
dieser Arbeit war es, aus der Linienbreite die Magnetisierungsdynamik
anhand der in den Filmen wirksamen Dämpfungsmechanismen zu
charakterisieren. Als Probensysteme wurden neben Ni- und Co-Filmen auf
Cu(001) auch technologisch vielversprechende Kombinationen aus
Ferromagnet und Halbleiter-Substrat verwendet. Gegenstand der
Untersuchungen im einzelnen war (1.), die Bestimmung der
oszillatorischen Interlagenaus- tauschkopplung für Ni/Cu/Co und
Ni/Cu/Ni-Dreifachlagen mit zueinander senkrechten leichten Richtungen
für Zwischenschichtdicken von 4-50 ML und der Vergleich mit
theoretischen Vorhersagen. Mit Hilfe neuer theoretischer Modelle und
Messungen konnte (2.) nun endgültig geklärt werden, daß
die
Temperaturabhängigkeit der Kopplung in Ni/Cu/Co-Dreifachlagen auf
der
thermischen Anregung von Spinwellen beruht. (3.) Analysen der
Linienbreiten der Dreifachlagen offenbarten einen dynamischen Anteil an
der Kopplung, der durch den Spin-Pump-Effekt verursacht wird und zu
einer effektiv vergrößerten Gilbert-Dämpfung
führt. So zeigen auch die
Linienbreiten der optischen und akustischen Mode Oszillationen mit der
Zwischenschichtdicke. (4.) Darüber hinaus ist in schwach
gekoppelten
Systemen eine Kompensation des Spin-Pump-Effektes beobachtbar, wobei
(5.) die UHV-FMR es ermöglicht, durch schrittweise
Präparation die
Zunahme der Linienbreite durch den Spin-Pump-Effekt zu untersuchen.
(6.) Die Linienbreite von Fe/V-Multilagen wurde im Bereich von 1-225
GHz frequenz- und auch winkelabhängig untersucht. Für diese
Proben
konnte die bislang in ultradünnen Filmen vernachlässigte
Zwei-Magnonen-Streuung nachgewiesen werden. Oberflächendefekte
induzieren hier eine Dämpfung, die gegenüber der
intrinsischen
Gilbert-Dämpfung dominiert. In einem weiteren Schritt wurden (7.)
die
magnetischen Anisotropien und die Dämpfungsmechanismen der
Ferro- magnet/Halbleiter-Hybridstrukturen Fe/InAs(001), Fe3Si/GaAs(001)
und MnAs/GaAs(001) in Ko- operation mit externen Forschungsgruppen
untersucht. Dabei wurde auch ein Zusammenhang zwischen dem homogenen,
epitaktischen Wachstum und der geringen Linienbreite sichtbar. Die
ungewöhnliche Koexistenz einer ferromagnetisch/paramagnetischen
Streifenstruktur von alpha/beta-MnAs konnte (8.) detailliert
dargestellt und die Kopplung in und zwischen den Streifen mittels
Spinwellenresonanz bestimmt werden. (9.) Apparativ konnte die
UHV-FMR-Meßapparatur technisch so verbessert werden, daß
nun erstmals
Messungen der kompletten polaren und azimutalen Winkelabhängigkeit
in
situ durchgeführt werden können.
Abstract:
In
this thesis, the magnetic properties of ultrathin ferromagnetic single
films and trilayer structures are investigated by means of
ferromagnetic resonance which is the method of choice to study the
magnetic anisotropy energy and the interlayer exchange coupling in
absolute energy units. The focus of this work lies on trilayer
structures with non-collinear easy axes as well as on the
characterization of the magnetization dynamics, i.e. the damping
mechanisms active in ultrathin specimen causing the resonance
linewidth. Besides Ni- or Co-films and trilayers on Cu(001) substrate,
technologically interesting ferromagnet/semiconductor hybridstructures
are studied. The following topics will be discussed in detail: (i) The
oscillatory interlayer exchange coupling for Ni/Cu/Co/Cu(001) and
Ni/Cu/Ni/Cu(001) samples with non-collinear or perpendicular easy axes
of magnetization has been measured for spacer thicknesses of 4-50 ML
and is compared to theoretical predictions. (ii) By using new
theoretical models and additional measurements, the origin of the
temperature dependence of the coupling in Ni/Cu/Co/Cu(001) trilayers
can clearly be attributed to thermally activated spin waves. (iii) The
analysis of the resonance linewidth of several trilayers reveals the
dynamical part of the coupling caused by the spin-pump effect, giving
rise to an increased effective gilbert damping. Thus, the optical and
acoustical modes' linewidths show oscillations like the interlayer
coupling. (iv) Moreover, a compensation of the additional damping
contribution is observable in weakly coupled trilayers under certain
conditions, whereas (v) the in situ ultrahigh vacuum technique allows
for a step-by-step analysis of the linewidth increase caused by the
spin pump effect. (vi) The linewidth in Fe/V superlattices is measured
as a function of frequency in the range of 1-225,GHz as well as
angular dependent. Surface defects in these samples induce two-magnon
scattering which leads to a non-linear damping in these ultrathin
films, which was observed only for bulk materials up to now. (vii)
Furthermore, the magnetic anisotropy and the damping of technologically
very promising hybridstructures like Fe/InAs(001), Fe3Si/GaAs(001)
and
MnAs/GaAs(001) are investigated in collaboration with external research
groups. Here, the relationship between the homogeneous epitaxial growth
and a small linewidth, i.e. slow relaxation rate, is made visible.
(viii) Additionally, thin films of MnAs show an unusual coexistence
phase of ferromagnetic alpha-MnAs and paramagnetic beta-MnAs in a
striped pattern. Using spinwave resonance the coupling within and in
between the stripes is determined. (ix) Finally, the ultrahigh vacuum
FMR setup has been mechanically improved. Now, for the first time ever,
it is possible to measure not only the polar angular dependence but
also in azimuthal geometry in situ without breaking the vacuum.
|
