Spinwellenanregungen in ferromagnetischen ultradünnen epitaktischen Fe-Schichten und Nanostrukturen

Wolfgang Kipferl

Betreuer: Prof. Dr. G. Bayreuther

Abgabedatum: 12.11.04, Kolloquiumsdatum: 12.01.05


In der vorliegenden Arbeit wurden ultradünne Fe-Schichten und Nanostrukturen untersucht. Aufgrund der reduzierten Dimension durch eine geringe Schichtdicke (< 2 nm) und laterale Einschränkung (150 nm) erwartet man Änderungen im magnetischen Verhalten. Neben den magnetischen Anisotropien und dem Umschaltvorgang wurde ein besonderes Augenmerk auf die thermischen Spinwellenanregungen gelegt, die bei endlicher Temperatur die Stabilität des magnetischen Zustands reduzieren und schließlich bei noch kleiner werdenden Abmessungen zur superparamagnetischen Relaxation führen würden.

Als Ausgangssystem dienten einkristalline Fe-Schichten auf GaAs(001) bzw. Au(001), deren Herstellung mittels Molekularstrahlepitaxie zuverlässig gelang und bei denen über die Schichtdicke gezielt die magnetischen Anisotropien eingestellt werden konnten. Durch Elektronenstrahl-Lithographie wurden aus den ausgedehnten Schichten großflächig dot arrays hergestellt, die aus mehreren Millionen kreisförmiger Dots bestanden.

Die Untersuchung erfolgte mit Hilfe von verschiedenen Magnetometern wie SQUID und AGM, MOKE (magneto optical kerr effect), MFM (magnetic force microscopy),

Gegenüber der ausgedehnten Schichten zeigten die hergestellten dot arrays ein deutlich verändertes Umschaltverhalten, das mit mikromagnetischen Simulationen (LLG) bestätigt werden konnte. Thermische Anregungen wurden allerdings in der Simulation nicht korrekt berücksichtigt.

Es zeigte sich, dass sowohl in ultradünnen Fe-Schichten als auch in Fe-Nanostrukturen das Blochsche T3/2-Gesetz der Spinwellentheorie in einem Temperaturbereich von 10 bis 350 K gültig bleibt. Der Spinwellenparameter B nimmt dabei mit abnehmender Schichtdicke bzw. abnehmendem Dotdurchmesser stark zu. In den Nanostrukturen muss die Erhöhung von B mit abnehmender Abmessung auf die Quantisierung der Spinwellenanregungen in den Dots mit zusätzlichen Anregungsmoden zurückgeführt werden. Im direkten Vergleich von Fe-Schichten auf GaAs(001) und Au(001) konnte nachgewiesen werden, dass für Schichtdicken größer 8 Monolagen die uniaxiale Grenzflächen-Anisotropie in Fe/GaAs(001) den ferromagnetischen Zustand gegen thermische Anregungen stabilisiert. Dies steht im Einklang mit der Spinwellentheorie.




Spin wave excitations in ferromagnetic ultrathin epitaxial Fe films and nanostructures


Ultrathin films and nanostructures were investigated in this work. Due to reduced dimensions by small thickness (< 2 nm) and lateral confinement (150 nm) changes in the magnetic behaviour are expected. In addition to magnetic anisotropies and switching processes, thermal spin excitations were studied, which reduce the stability of the magnetic state at finite temperature. With smaller dimensions they would lead to the superparamagnetic relaxation.

Epitaxial iron films were grown on GaAs(001) and Au(001) substrates by molecular beam epitaxy. The magnetic anisotropy is strongly thickness dependent. By means of electron-beam-lithography large dot arrays with several million circular dots have been patterned out the continuous films.

Magnetic measurements were performed by using SQUID- (superconducting quantum interference device) and AGM-magnetometry (alternating gradient magnetometry), MOKE (magneto-optical Kerr effect) and MFM (magnetic force microscopy).

In comparison to the continuous films, the dot arrays showed a strongly different magnetization reversal, which could be approved by micromagnetic simulations (LLG). However, thermal excitations are not implemented correctly.

It was demonstrated, that in ultrathin Fe films and dot arrays Bloch’s T3/2-law of the spin wave theory is valid in a temperature range from 10 to 350 K. The spin wave parameter B strongly increases with decreasing thickness and with decreasing dot diameter. The increase of B in the dots is attributed to a quantization of the spin wave excitations with additional excitation modes. In a direct comparison between Fe films on GaAs(001) and Au(001), it was shown, that for thicknesses > 8 monolayers the uniaxial interface anisotropy in Fe/GaAs(001) stabilizes the ferromagnetic state versus thermal excitations. This was found to be consistent with existing spin wave theories.