Dissertation Stefan Miethaner

Struktur und magnetische Ordnung epitaktischer Fe/Cr/Fe(001)-Dreilagensysteme

Betreuer: apl. Prof. Dr. G. Bayreuther
abgegeben am: 06.11.98

Großes Interesse am Fe/Cr/Fe(001)-Schichtsystem besteht seit Mitte der achtziger Jahre, als antiparallele Kopplung der Fe-Lagen und ein "Riesenmagnetowiderstandseffekt" in Fe/Cr-Schichten beobachtet wurde. Trotz daraufhin einsetzender umfangreicher Forschungstätigkeit blieben wesentliche Details der magnetischen Ordnung ungeklärt:

Zur Klärung dieser Fragen wurde ein neuartiger Versuchsaufbau entwickelt und aufgebaut, der simultan Struktur- und Magnetisierungsmessungen ermöglicht. Ein hochempfindliches Wechselgradientenmagnetometer (AGM), das in der neu entwickelten Ausführung absolute Magnetisierungsmessungen an wenige A dicken Schichtsystemen erlaubt, wurde in einer UHV-MBE-Anlage mit einem RHEED-System (Beugung schneller Elektronen unter streifendem Einfall) kombiniert. Während des Schichtwachstums können mit dem realisierten Aufbau Hysteresekurven und Beugungsbilder aufgenommen werden.

Daneben wurden in einer zweiten MBE-Anlage Topographieuntersuchungen der hergestellten Schichten mit einem in-situ-Rastertunnelmikroskop durchgeführt und über die Elektronenbeugung mit den Magnetisierungsmessungen am in-situ-AGM korreliert.

Parallel zu den experimentellen Untersuchungen wurden im Rahmen eines gemeinsamen Projekts von einer Theoretikergruppe um H. Dreysse, Straßburg, Modellrechnungen zum Magnetisierungsverhalten des Fe/Cr-Systems durchgeführt, die einen wesentlichen Beitrag zum Verständnis des beobachteten Verhaltens lieferten.

Die bei Zimmertemperatur gewachsenen Cr-Schichten auf Fe(001)-Oberflächen koppeln in Übereinstimmung mit Theorie und anderen experimentellen Ergebnissen antiparallel zu Fe, was sich in der deutlichen Abnahme des integralen Probenmoments äußert. Insgesamt konnten Momentänderungen von 1,1 - 1,4 B (bezogen auf eine zweidimensionale Einheitszelle) gemessen werden, während eine Vorgängerarbeit bis zu 5,2 B Momentreduzierung pro 2D-Einheitszelle lieferte. Neüste Modellrechnungen erlauben die Interpretation beider Ergebnisse mit der Interdiffusion, die an der Cr/Fe-Grenzfläche stattfindet und auch von anderen Arbeitsgruppen in jüngster Zeit nachgewiesen wurde.

Erstmals wurde in in-situ-Magnetometermessungen auch das magnetische Verhalten von ultradünnem Fe auf Cr(001)-Oberflächen systematisch untersucht. Dabei konnte das Konstantbleiben des Gesamtmoments während der anfänglichen Fe-Bedeckung von Cr-Schichten reproduzierbar beobachtet und dem prognostizierten multi-domain-Zustand zugeordnet werden. Ein Maximum in der magnetischen Suszeptibilität bei endlichen Feldern wird mit dem hier erstmals beobachteten Phasenübergang multi-domain -> single-domain identifiziert. Kritische Übergangsdicken lagen in den präparierten Schichtsystemen bei 4-5 ML und korrelieren in den bisherigen Untersuchungen sehr gut mit den lateralen Strukturgrößen (Terrassen), wie es aus theoretischen Überlegungen auch gefordert wird.