Struktura i właściwości magnetyczne układów warstwowych metal/izolator

Transkrypt

1 Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej Rozprawa doktorska (z komentarzem) Anna Kozioł-Rachwał Struktura i właściwości magnetyczne układów warstwowych metal/izolator Promotor: Prof. dr hab. Józef Korecki Promotor pomocniczy: Dr hab. Tomasz Ślęzak Kraków, 2014

2 Oświadczenie autora rozprawy: Oświadczam, świadoma odpowiedzialności karnej za poświadczenie nieprawdy, że niniejszą pracę doktorską wykonałam osobiście i samodzielnie i że nie korzystałam ze źródeł innych niż wymienione w pracy. data, podpis autora Oświadczenie promotora rozprawy: Niniejsza rozprawa jest gotowa do oceny przez recenzentów. data, podpis promotora rozprawy 2

3 Składam serdeczne podziękowania - Profesorowi Józefowi Koreckiemu, mojemu Promotorowi, za opiekę naukową, liczne dyskusje oraz wszechstronną pomoc przy realizacji pracy doktorskiej - Doktorowi habilitowanemu Tomaszowi Ślęzakowi, mojemu Promotorowi pomocniczemu, za wdrożenie mnie w tajniki fizyki cienkich warstw, inspirujące dyskusje naukowe oraz gotowość do rozwiązywania wielu problemów - Kolegom z zespołu doktorowi Michałowi Ślęzakowi i doktorowi Krzysztofowi Matlakowi za pomoc i wspaniałą atmosferę w czasie pracy - Współautorom publikacji będących podstawą niniejszej pracy za zaangażowanie i owocną współpracę - Teresie, Jerzemu, Marcie, Kasi i Bartusiowi za wsparcie Praca została przygotowana w ramach projektu Fundacji na rzecz Nauki Polskiej TEAM: Atomic and molecular level devising of functional nanostructures for magnetic and catalytic applications (AMON) oraz w ramach grantu Narodowego Centrum Nauki (Grant No. 2011/02/A/ST3/00150). 3

4 Streszczenie Rozprawa doktorska opisuje badania nad strukturą i właściwościami magnetycznymi układów złożonych z ultracienkich warstw Fe i MgO: subnanometrowych warstw Fe w układzie MgO/Fe/MgO, trójwarstw Fe/MgO/Fe i wielowarstw Fe/MgO. Badane układy zostały wytworzone w warunkach ultra wysokiej próżni (UHV) metodą epitaksji z wiązek molekularnych (MBE) na monokrystalicznych podłożach MgO(001). Strukturę powierzchni warstw scharakteryzowano za pomocą dyfrakcji elektronów niskoenergetycznych (LEED). Magnetyczne właściwości badanych układów zostały opisane dzięki zastosowaniu licznych technik eksperymentalnych, między innymi przy pomocy spektroskopii oddziaływań nadsubtelnych (CEMS i NRS Nuclear Resonance Scattering). Badania subnamometrowych warstw Fe w układzie MgO/Fe/MgO dowiodły istnienia prostopadłej anizotropii magnetycznej warstw Fe poniżej grubości krytycznej t c. Ze względu na trójwymiarowy wzrost Fe na MgO(001) anizotropia magnetyczna układu jest w temperaturze pokojowej maskowana przez zjawisko superparamagnetyzmu. Momenty magnetyczne warstw Fe fluktuują z częstotliwością dziesiątek MHz. Superparamagnetyzm w układzie MgO/Fe/MgO może zostać stłumiony poprzez niskotemperaturową preparatykę Fe. Stwierdzono, że nanoszenie Fe w temperaturze 140 K powoduje powstanie ciągłej warstwy Fe już dla grubości 6Å. Ponadto pokazano, że prostopadła anizotropia magnetyczna występuje w badanym układzie w temperaturze pokojowej dla grubości Fe poniżej t c = 9Å. Wraz z rosnącą grubością Fe zaobserwowano zmianę kierunku spontanicznego namagnesowania (SRT Spin Reorientation Transition) warstw Fe z kierunku prostopadłego do płaszczyzny warstw do kierunku w płaszczyźnie. Dla grubości Fe bliskiej grubości krytycznej t c pokazano, że zmiana kierunku namagnesowania może być indukowana zmianą temperatury. Badania magnetycznych właściwości układu Fe/MgO/Fe potwierdziły istnienie antyferromagnetycznego (AFM) sprzężenia między warstwami Fe dla subnanometrowych grubości MgO. Pokazano, że zastosowanie homoepitaksjalnej warstwy buforowej MgO wpływa na wzmocnienie siły antyferromagnetycznego oddziaływania. Dla trójwarstw przygotowanych na buforze MgO zaobserwowano dwukrotnie silniejsze sprzężenie między warstwami Fe niż dla układu przygotowanego bezpośrednio na podłożu MgO. 4

5 Ostatnim etapem pracy było wytworzenie i charakteryzacja kompozytowego wielowarstwowego układu Fe/MgO. Systematyczne badania właściwości magnetycznych wielowarstw dla różnych grubości podwarstw Fe i MgO pozwoliły na optymalizację ferromagnetycznej fazy wielowarstwy złożonej z 10 powtórzeń Fe/MgO o grubościach Fe i MgO równych 6Å. Dla ustalonych grubości Fe i MgO pokazano, że wraz ze wzrostem liczby powtórzeń dwuwarstw rośnie udział składowej namagnesowania prostopadłej do płaszczyzny warstw. Badania CEMS pozwoliły na wnioskowanie o istnieniu wirowej struktury domenowej w układzie, potwierdzonej symulacjami mikromagnetycznymi. 5

6 Abstract This PhD thesis describes the structure and magnetic properties of ultrathin layers composed of Fe and MgO: subnanometer Fe films in a MgO/Fe/MgO stack, Fe/MgO/Fe trilayers and Fe/MgO multilayers. All these layers were grown using molecular beam epitaxy under ultra high vacuum conditions on MgO(001) crystal substrates. The structure of the deposited layers was study in-situ by low energy electron diffraction (LEED). Magnetic properties of the studied systems were examined by various techniques, including methods based on hyperfine interaction spectroscopies (CEMS and NRS Nuclear Resonance Scattering). The study of the sub-nanometer iron films in the MgO/Fe/MgO stack revealed the existence of the perpendicular magnetic anisotropy below the critical Fe thickness t c. Because of three - dimensional cluster growth of Fe on MgO(001), the superparamagnetic fluctuations of the Fe magnetic moments were observed at room temperature with characteristic fluctuation rates ranging over tens of MHz. The superparamagnetism in MgO/Fe/MgO could be suppressed when Fe was deposited at low temperatures. For the deposition temperature 140 K, a continuous layer was obtained for Fe as thin as 6Å. Furthermore, the perpendicular magnetization was found at room temperature below t c = 9Å. In the vicinity of t c the spin reorientation transition (SRT) was observed with the easy magnetization axis switching from the out-of-plane to an in-plane direction. The temperature driven SRT was shown to occur for the Fe thickness close to t c. Analysis of the magnetic properties of the Fe/MgO/Fe trilayers proved the existence of the antiferromagnetic (AFM) interlayer exchange coupling (IEC) between the Fe layers for the subnanometer thickness of the MgO spacer. It was shown that when the trilayer is grown on a homoepitaxial MgO buffer layer the strength of IEC is increased by a factor of two in comparison to an un-buffered sample. Moreover, the range of the MgO thickness for which the AFM coupling occurs, is shifted toward thinner spacers for the buffered sample. The last task of this thesis was to produce and characterize Fe/MgO multilayers with the sub-layer thickness in the monolayer range. By optimization of the sub-layer thickness and the repetition number, a stable ferromagnetic state of the multilayers was obtained for the thicknesses of both Fe and MgO sublayers equal to 6Å and ten repetitions of the Fe/MgO bilayers. The Mössbauer measurements demonstrated that the out-of-plane magnetization 6

7 component was considerably enhanced when the repetition number was increased from ten to twenty. The correlation between the CEMS and MOKE measurements suggested a complex vortex-like magnetization distribution, which was verified by the micromagnetic simulations. 7

8 Spis treści Lista publikacji... 9 Komentarz do rozprawy doktorskiej Wstęp Cel pracy Metody eksperymentalne Omówienie prac wchodzących w skład rozprawy doktorskiej Publikacja I Publikacja II Publikacja III Publikacja IV Podsumowanie Bibliografia Oryginalne publikacje

9 Lista Publikacji Omawiana rozprawa doktorska ma formę zbioru następujących artykułów opublikowanych lub przyjętych do druku w czasopismach naukowych: I. Magnetism of ultrathin Fe films in MgO/Fe/MgO in epitaxial structures probed by nuclear resonant scattering of synchrotron radiation, A. Kozioł-Rachwał, T. Giela, B. Matlak, K. Matlak, M. Ślęzak, T. Ślęzak, M. Zając, R. Rüffer and J. Korecki, Journal of Applied Physics, 113, (2013). II. Room-temperature perpendicular magnetic anisotropy of MgO/Fe/MgO ultrathin films, A. Kozioł-Rachwał, W. Skowroński, T. Ślęzak, D. Wilgocka-Ślęzak, J. Przewoźnik, T. Stobiecki, Q. H. Qin, S. van Dijken and J. Korecki, Journal of Applied Physics 114, (2013). III. Antiferromagnetic Interlayer Exchange Coupling in Epitaxial Fe/MgO/Fe trilayers down to single monolayer MgO barrier, A. Kozioł-Rachwał, T. Ślęzak, M. Ślęzak, K. Matlak, E. Młyńczak, N. Spiridis and J. Korecki, Journal of Applied Physics 115, (2014). IV. Tunable magnetic properties of monoatomic metal-oxide Fe/MgO multilayers, A. Kozioł-Rachwał, T. Ślęzak, K. Matlak, P. Kuświk, M. Urbaniak, F. Stobiecki, L. D. Yao, S. van Dijken, and J. Korecki, Physical Review B, przyjęta do druku. 9

10 Komentarz do rozprawy doktorskiej 1. Wstęp Niskowymiarowe układy magnetyczne przyciągają uwagę badaczy od blisko połowy wieku, kiedy to nastąpił gwałtowny rozwój technologii wysoko próżniowych. Ultracienkie warstwy magnetyczne (o grubości rzędu od kilku do kilkudziesięciu odległości międzyatomowych) stanowią liczną grupę wśród układów o złamanej symetrii translacyjnej, a eksploracja ich właściwości jest ważna zarówno z punktu widzenia badań podstawowych jak i możliwości aplikacyjnych. Zasadniczym skutkiem obniżania wymiaru układu magnetycznego jest modyfikacja jego anizotropii magnetycznej. Gęstość energii anizotropii magnetycznej ultra cienkiej warstwy można wyrazić wzorem: E = K eff cos 2 θ, (1) gdzie θ jest kątem pomiędzy kierunkiem namagnesowania a wersorem normalnym do powierzchni próbki, a K eff efektywną stałą anizotropii układu. Wzór (1) zaniedbuje zależność energii anizotropii od kierunku namagnesowania w płaszczyźnie. Jeśli K eff przyjmuje wartości dodatnie minimum energii przypada dla θ = 0, gdy kierunek namagnesowania jest prostopadły do powierzchni. Dla K eff < 0 oś łatwa namagnesowania leży w płaszczyźnie warstwy. W materiałach litych o kierunku namagnesowania decyduje anizotropia magnetokrystaliczna, której źródłem jest oddziaływanie spin orbita oraz związana z istnieniem oddziaływań dipolowych anizotropia kształtu. W przypadku litego Fe anizotropia magnetokrystaliczna o wartości K u = erg/cm 3 1 determinuje istnienie łatwego kierunku namagnesowania Fe wzdłuż kierunku [001]. Dla cienkich warstw dodatkowo kierunek namagnesowania w płaszczyźnie warstwy Fe jest wymuszony silną anizotropią kształtu K sh = erg/cm 3. Ponadto dla układów o złamanej symetrii translacyjnej pojawia się dodatkowy przyczynek do energii anizotropii, tzw. anizotropia powierzchniowa. Istnienie anizotropii powierzchniowej zostało postulowane przez Néela w 1954 roku 2 (stąd często pojawiająca się w literaturze nazwa anizotropia magnetokrystaliczna Néela), a jej pochodzenie, podobnie jak w przypadku anizotropii K u, jest związane z oddziaływaniem spin orbita, które jest silnie zmodyfikowane na powierzchni warstwy. W przypadku układów 10

11 cienkowarstwowych istotną rolę odgrywa również anizotropia magnetoelastyczna K e, która wnosi istotny przyczynek do K eff jeżeli w warstwie występują naprężenia i dyslokacje 3. Podsumowując, całkowita gęstość energii anizotropii na jednostkę objętości jest sumą przyczynków, które skalują się z objętością lub powierzchnią warstwy i równanie (1) może być przepisane jako: E = ( K v + K s / t ) cos 2 θ, (2) gdzie t jest grubością warstwy, a K v i K s odpowiednio przyczynkiem objętościowym i powierzchniowym do efektywnej stałej anizotropii K eff. W przypadku grubych warstw przyczynek powierzchniowy K s jest zaniedbywalny i nie wpływa na kierunek namagnesowania układu. Wraz z obniżaniem grubości układu udział składowej K s zaczyna dominować i dla warstw o grubości rzędu kilku angstremów często on determinuje kierunek namagnesowania. Anizotropia powierzchniowa często faworyzuje orientację namagnesowania prostopadłą do powierzchni układu. Wówczas, obniżając grubość warstwy, dla grubości krytycznej t c można zaobserwować przełączenie namagnesowania z kierunku leżącego w płaszczyźnie warstwy do kierunku normalnego do powierzchni (thickness driven Spin Reorientation Transition (SRT)). Pierwszy eksperyment dowodzący istnienia prostopadłej anizotropii powierzchniowej (Perpendicular Magnetic Anisotropy PMA) został wykonany w 1968 roku dla ultra cienkich warstw FeNi na podłożu Cu(111) 4. Gradmann i Müller pokazali, że dla grubości warstewki NiFe rzędu 1.8 monowarstwy (ML) jej namagnesowanie jest prostopadłe do powierzchni oraz, że efektywna anizotropia magnetyczna skaluje się z odwrotnością grubości warstwy. Przejście SRT z kierunku w płaszczyźnie warstwy do kierunku normalnego do powierzchni wraz z obniżaniem grubości jest efektem dość częstym dla warstw Fe na podłożach metalicznych i zostało zaobserwowane doświadczalnie dla takich układów jak: Fe/Ag(100) 5,6, Fe/Cu(100) 7, Fe/Cr(110) 8, Fe/Au(001) 9, Gd(0001) 10. Tylko nieliczne prace donoszą o przejściu SRT dla warstw Fe na podłożach niemetalicznych: na Si(111) 11 oraz na podłożu MgO(001) (Publikacja I rozprawy doktorskiej, Rozdział 4.1 komentarza). Badania eksperymentalne pokazały, iż zmiana kierunku namagnesowania nie zawsze odbywa się skokowo (jak zakłada wzór (1)) i często jest związana z obecnością fazy pośredniej, której istnienie będzie wynikało jeśli zależność (1) zostanie uzupełniona przyczynkiem wyższego rzędu: E = K eff cos 2 θ K eff cos 4 θ (3). 11

12 Analiza przestrzeni anizotropii rozpiętej na stałych K eff (t) i K eff (t) pozwala na określenie charakteru przejścia SRT i była dla układu MgO/Fe/MgO(001) przedmiotem Publikacji II rozprawy doktorskiej, (Rozdział 4.2 komentarza). Ponieważ zjawisko prostopadłej anizotropii magnetycznej jest często efektem powierzchniowym, może zostać wzmocnione na skutek wprowadzenia dużej liczby obszarów granicznych w układach wielowarstwowych. Po raz pierwszy istnienie PMA w układzie wielowarstwowym zostało zaobserwowane dla Co/Pd 12, a liniowa zależność iloczynu efektywnej stałej anizotropii i grubości dwuwarstwy (Co/Pd) od grubości podwarstwy Co pozwoliła na wyznaczenie przyczynku prostopadłej anizotropii powierzchniowej. Ponadto, we wspomnianej pracy pokazano, że naprężenia w warstwach Co są źródłem anizotropii magnetoelastycznej, która, podobnie do anizotropii powierzchniowej, faworyzuje prostopadłe ustawienie spontanicznego namagnesowania. Silny przyczynek anizotropii magnetoelastycznej został zaobserwowany dla innych układów wielowarstwowych, w których na skutek niedopasowania sieciowego materiałów składowych powstają dystorsje struktury. Wśród licznych przykładów, obok Co/Pd, można wymienić monoatomowe supersieci Ni/Pt 13,14 czy Co/Au 15. Oprócz zjawiska prostopadłej anizotropii magnetycznej, jednym z najważniejszych efektów występujących w układach wielowarstwowych jest międzywarstwowe sprzężenie wymienne (Interlayer Exchange Coupling IEC). Zjawisko IEC zostało eksperymentalnie zaprezentowane w roku 1986 dla trójwarstwy Fe/Cr/Fe 16. Pokazano wówczas po raz pierwszy, że dla struktury typu ferromagnetyk/metal nie ferromagnetyczny/ferromagnetyk (FM/NM/FM) wektory namagnesowania warstw Fe sprzęgają się równolegle lub antyrównolegle, a typ sprzężenia oscyluje z grubością przekładki Cr. Mechanizm sprzężenia IEC w układach typu FM/NM/FM został wyjaśniony przez model zakładający istnienie spinowo zależnych stanów kwantowych charakterystycznych dla studni potencjału w warstwie NM i został szczegółowo opisany w pracy 17. Odkrycie antyferromagnetycznego oddziaływania wymiennego w układach wielowarstwowych przyczyniło się w roku 1988 do odkrycia zjawiska gigantycznej magnetorezystancji (Giant Magnetoresistance GMR) 18, które w roku 1990 zostało praktycznie wykorzystane przez firmę IBM w głowicach dysków twardych. IEC występuje również w układach typu FM/I/FM, w których metaliczna przekładka została zastąpiona przez ultracienką (o grubości rzędu kilku Å) warstwę izolatora I. Siła 12

13 sprzężenia międzywarstwowego w układach FM/I/FM maleje monotonicznie wraz ze wzrostem grubości warstwy izolatora, a typ sprzężenia zależy od wielu czynników, miedzy innymi od jakości interfejsów FM/I czy obecności defektów w warstwie izolatora. Międzywarstwowe sprzężenie w układach FM/I/FM dla złącza Fe/MgO/Fe było przedmiotem Publikacji III rozprawy doktorskiej (Rozdział 4.3 komentarza). W układach wielowarstwowych typu FM/I/FM o sub nanometrowych grubościach podwarstw, pośrednie sprzężenie wymienne pomiędzy warstwami FM może być odpowiedzialne za stabilizację fluktuacji superparamagnetycznych w warstwach ferromagnetyka. Superparamagnetyzm ogranicza gęstość zapisu magnetycznego, tym samym ograniczając praktyczne zastosowania układów cienkowarstwowych. W Publikacji IV rozprawy doktorskiej (Rozdział 4.4 komentarza) pokazano, że w monoatomowych wielowarstwach Fe/MgO, wykorzystując pośrednie sprzężenie wymienne pomiędzy warstwami Fe przez przekładkę MgO, można stabilizować fluktuacje superparamagnetyczne oraz modelować właściwości magnetyczne układu. 13

14 2. Cel pracy Celem rozprawy doktorskiej było opisanie struktury i właściwości magnetycznych cienkowarstwowych układów złożonych z epitaksjalnych warstw Fe i MgO. Cel ten został zrealizowany w trzech etapach. W pierwszym z nich scharakteryzowano właściwości pojedynczej sub nanometrowej warstwy Fe w układzie MgO/Fe/MgO(001). Istotnym problemem w układach magnetycznych o tak małej grubości jest zjawisko superparamagnetyzmu, które ogranicza aplikacyjny potencjał tych układów. Jednym ze sposobów stłumienia zjawiska superparamagnetyzmu jest wprowadzenie do układu sprzężenia wymiennego. Badanie sprzężenia wymiennego między warstwami Fe przez przekładkę MgO stanowiło drugi etap realizacji celu pracy. Znajomość właściwości pojedynczej warstwy Fe w układzie MgO/Fe/MgO oraz oddziaływania pomiędzy warstwami Fe w układzie trójwarstwowym Fe/MgO/Fe pozwoliła na realizację trzeciego etapu pracy, którym było stworzenie i charakteryzacja kompozytowego materiału na bazie monoatomowych wielowarstw Fe/MgO. 14

15 3. Metody eksperymentalne Układy cienkowarstwowe omawiane w niniejszej pracy zostały przygotowane w laboratorium Nanostruktur Powierzchniowych Wydziału Fizyki i Informatyki Stosowanej Akademii Górniczo-Hutniczej im. Stanisława Staszica. Warstwy były preparowane w warunkach ultra wysokiej próżni (Ultra High Vacuum UHV) metodą epitaksji z wiązki molekularnej (Molecular Beam Epitaxy MBE). Cienkie warstwy metali były nanoszone z tygla grzanego oporowo, do nanoszenia MgO użyto naparowywarki wykorzystującej bombardowanie elektronowe (Electron Beam Evaporator EBV). Ponieważ wśród technik używanych do charakteryzacji właściwości magnetycznych warstw były metody oparte o zjawisko Mössbauera, do preparatyki niektórych próbek użyto izotopu 57 Fe. Kalibrację grubości warstw uzyskano przy użyciu wag kwarcowych, a struktura próbek w czasie ich wzrostu była kontrolowana za pomocą techniki dyfrakcji elektronów niskoenergetycznych (LEED). Zdjęcie aparatury UHV używanej do preparatyki warstw umieszczono na Rysunku 1. W przypadku układów trójwarstwowych Fe/MgO/Fe komplementarne badania strukturalne zostały wykonane przy użyciu skaningowej mikroskopii tunelowej (STM) w Instytucie Katalizy i Fizykochemii Powierzchni PAN. Rysunek 1 Zdjęcie aparatury UHV w Laboratorium Nanostruktur Powierzchniowych AGH. Wszystkie układy cienkowarstwowe opisywane w pracy były nanoszone na jednostronnie polerowane monokrystaliczne podłoża MgO(001), które przed preparatyką warstw były przez godzinę wygrzewane w temperaturze 500ºC w warunkach UHV. Dla większości próbek, na wygrzane podłoża MgO(001) nanoszono buforową warstwę MgO 15

16 w temperaturze 450ºC. Klinowe warstwy Fe i MgO były preparowane z użyciem przesuwnej przesłony znajdującej się pomiędzy układem MBE a próbką, w odległości ok. 1mm od powierzchni próbki. Ruch przesłon był realizowany poprzez zastosowanie silnika krokowego sterowanego przez komputer. Badania właściwości magnetycznych klinowej warstwy Fe zostały wykonane przy użyciu techniki rezonansowego jądrowego rozpraszania synchrotronowego (Nuclear Resonance Scattering NRS) w ośrodku synchrotronowym ESRF w Grenoble na linii ID 18. Szczegółowy opis metody NRS z licznymi przykładami jej zastosowań można znaleźć w pracy 19. Próbka była umieszczona w kriostacie z cewkami nadprzewodzącymi, co umożliwiło rejestrowanie czasowych widm NRS w funkcji temperatury oraz zewnętrznego pola magnetycznego. Analizy widm NRS dokonano przy użyciu programu CONUSS, który bazuje na dynamicznej teorii jądrowego rozpraszania synchrotronowego 20. Spektroskopia mössbauerowska elektronów konwersji (Conversion Electron Mössbauer Spectroscopy CEMS) posłużyła do charakteryzacji magnetyzmu układów wielowarstwowych Fe/MgO. Pomiary CEMS zostały wykonane ex-situ w Laboratorium Nanostruktur Powierzchniowych AGH. W pomiarach wykorzystano standardowy spektrometr mössbauerowski, a jako źródło promieniowania γ użyto 57 Co(Rh). Do detekcji elektronów konwersji wykorzystano licznik przepływowy z mieszanką gazową He 10%CH 4. Widma CEMS były dopasowywane liniami będącymi złożeniem funkcji Lorenza i Gaussa przy użyciu programu Recoil 21. Pomiary magnetyczne zostały wykonane z użyciem kilku metod dostosowanych do rodzaju mierzonych właściwości. Większość próbek była charakteryzowana w Laboratorium Nanostruktur Powierzchniowych przy pomocy powierzchniowo czułej metody magnetoptycznego efektu Kerra (Magnetooptical Kerr Effect MOKE). Metoda MOKE opiera się o zjawisko zmiany polaryzacji i intensywności światła po odbiciu od ośrodka magnetycznego i jest powszechnie używana do charakteryzacji nonostruktur 22. Pomiary MOKE zostały wykonane w dwóch geometriach: polarnej, w której skręcenie Kerra jest proporcjonalne do składowej namagnesowania prostopadłej do płaszczyzny warstwy oraz podłużnej, dla której skręcenie Kerra jest proporcjonalne do składowej namagnesowania w płaszczyźnie próbki. Pomiaru bezwzględnej wartości namagnesowania ultra cienkich warstw Fe dokonano przy użyciu standardowego magnetometru z drgającą próbką (Vibrating Sample Magnetometer VSM) będącego częścią urządzenia PPMS Quantum Design (Physical Property Measurement System) w Katedrze Fizyki Ciała Stałego AGH. Pętle histerezy 16

17 magnetycznej zostały zmierzone w polu magnetycznym równoległym do płaszczyzny próbek przyłożonym wzdłuż osi łatwego namagnesowania Fe(001). Anizotropia magnetyczna w układzie MgO/Fe/MgO została określona w wyniku pomiarów anomalnego efektu Halla (Anomalous Hall Effect AHE) w Laboratorium Elektroniki Spinowej Katedry Elektroniki AGH kierowanym przez prof. T. Stobieckiego. Paski Halla zostały przygotowane w procesie litografii i trawienia jonowego w Aalto University w grupie Nanomagnetism and Spintronics kierowanej przez prof. S. van Dijkena. W trakcie pomiarów AHE mierzono napięcie Halla, które dla układów wykazujących uporządkowanie magnetyczne jest proporcjonalne do namagnesowania próbki 23. Pętle histerezy magnetycznej uzyskane zostały w wyniku pomiarów napięcia Halla w funkcji zewnętrznego pola magnetycznego, przyłożonego prostopadle do powierzchni warstwy. Podczas pomiarów próbka umieszczona była w kriostacie, co umożliwiło badanie ewolucji stanu magnetycznego warstw w funkcji temperatury. Uporządkowanie strukturalne układów wielowarstwowych Fe/MgO zostało zbadane za pomocą transmisyjnego mikroskopu tunelowego wysokiej rozdzielczości (High Resolution Transmission Electron Microscopy HRTEM) w laboratorium grupy Nanomagnetism and Spintronics w Aalto University. Symulacje mikromagnetyczne, które pozwoliły na interpretację remanencyjnej struktury domenowej w układzie wielowarstwowym Fe/MgO zostały wykonane w programie OOMF 24 w ramach współpracy z grupą prof. Feliksa Stobieckiego z Instytutu Fizyki Molekularnej PAN w Poznaniu. 17

18 4. Omówienie prac wchodzących w skład rozprawy doktorskiej 4.1 Publikacja I Magnetism of ultrathin Fe films in MgO/Fe/MgO in epitaxial structures probed by nuclear resonant scattering of synchrotron radiation A. Kozioł-Rachwał, T. Giela, B. Matlak, K. Matlak, M. Ślęzak, T. Ślęzak, M. Zając, R. Rüffer, and J. Korecki, Journal of Applied Physics 113, (2013). Najnowsze obliczenia teoretyczne donoszą o prostopadłej anizotropii magnetycznej ultra cienkich warstw Fe w kontakcie z MgO 25. Dotychczasowe eksperymentalne badania właściwości magnetycznych układu Fe/MgO pokazują ferromagnetyczne uporządkowanie w warstwach Fe z osią łatwą namagnesowania w płaszczyźnie układu dla grubości Fe powyżej 10Å. Dla mniejszych grubości, ze względu na trójwymiarowy wzrost Fe na MgO(001), właściwości magnetyczne układu są maskowane przez superparamagnetyzm. Zjawisko superparamagnetyzmu stanowi duże ograniczenie przy doborze technik badawczych używanych do charakteryzacji sub nanometrowych warstw Fe na MgO(001) ze względu na wymagany krótki charakterystyczny czas pomiaru metody. W pracy przedstawiono analizę magnetycznych właściwości układu MgO/Fe/MgO dla klinowej warstwy Fe o grubości z przedziału (4 10)Å. Badania zostały wykonane przy użyciu rezonansowego jądrowego rozpraszania promieniowania synchrotronowego (NRS). Podczas pomiarów próbka była umieszczona w kriostacie z cewkami nadprzewodzącymi, co umożliwiło akumulację widm NRS w niskich temperaturach oraz zewnętrznym polu magnetycznym. Analiza numeryczna widm NRS opierała się o model zakładający istnienie trzech podwarstw Fe w układzie MgO/Fe/MgO: dwóch związanych z warstwami granicznymi Fe/MgO i MgO/Fe oraz warstwy opisującej atomy znajdujące się w centrum warstwy Fe, których właściwości magnetyczne są najbardziej zbliżone do atomów w litym Fe. Pokazano, że w temperaturze 10 K namagnesowanie warstwy Fe o grubości 3ML (4.5Å) jest niemalże prostopadłe do płaszczyzny próbki. Wraz ze zwiększeniem grubości Fe zaobserwowano 18

19 stopniową zmianę kierunku namagnesowania z rosnącą składową namagnesowania w płaszczyźnie warstwy. Dla wybranej grubości Fe zbadano ewolucję struktury magnetycznej układu w funkcji temperatury. Pokazano, że wraz ze wzrostem temperatury energia anizotropii układu staje się porównywalna z energią termiczną i wypadkowe namagnesowanie warstwy zaczyna podlegać fluktuacjom superparamagnetycznym o częstości rzędu MHz. 4.2 Publikacja II Room-temperature perpendicular magnetic anisotropy of MgO/Fe/MgO ultrathin films A. Kozioł-Rachwał, W. Skowroński, T. Ślęzak, D. Wilgocka-Ślęzak, J. Przewoźnik, T. Stobiecki, Q. H. Qin, S. van Dijken, and J. Korecki, Journal of Applied Physics 114, (2013). Zjawisko superparamagnetyzmu, występujące w układzie Fe/MgO(001) dla subnanometrowych grubości Fe utrudnia badanie anizotropii warstw oraz ogranicza potencjalne zastosowanie układu w spintronice. Powodem występowania fluktuacji superparamagnetycznych w układzie jest wyspowy charakter wzrost ultracienkich warstw Fe na podłożu MgO(001). W pracy pokazano, że niskotemperaturowa preparatyka Fe/MgO(001) prowadzi do powstania ciągłej warstwy już dla grubości Fe równej 6Å. Badając zjawisko anomalnego efektu Halla (AHE) scharakteryzowano magnetyczne właściwości układu MgO/Fe(t)/MgO(001) dla grubości t z przedziału (4 14)Å. Dla warstw Fe o grubości poniżej 9Å stwierdzono istnienie prostopadłej anizotropii magnetycznej w temperaturze pokojowej. Wraz ze wzrostem grubości t zaobserwowano zjawisko zmiany kierunku spontanicznego namagnesowania (SRT) z kierunku prostopadłego do płaszczyzny próbki do kierunku w płaszczyźnie próbki. Symulacje pętli histerezy zmierzonych przy użyciu AHE dla t > 9Å pozwoliły na wyznaczenie efektywnych stałych anizotropii warstw, grubości krytycznej dla której zachodzi zjawisko SRT oraz umożliwiły określenie charakteru przejścia SRT. Ponadto przeprowadzono dyskusję pochodzenia prostopadłej anizotropii magnetycznej w badanym układzie. Dla wybranych grubości Fe, bliskich grubości krytycznej, przeprowadzono analizę właściwości magnetycznych warstw Fe w funkcji temperatury. Pokazano, że wraz z obniżaniem temperatury dla grubości Fe t = 10Å następuje zjawisko SRT z kierunku w 19

20 płaszczyźnie warstwy do kierunku prostopadłego. Wyznaczenie temperaturowej zależności efektywnych stałych anizotropii, w połączeniu z ich zależnością od grubości Fe, pozwoliły na wnioskowanie o pochodzeniu prostopadłej anizotropii magnetycznej w układzie MgO/Fe/MgO(001). 4.3 Publikacja III Antiferromagnetic Interlayer Exchange Coupling in Epitaxial Fe/MgO/Fe trilayers down to single monolayer MgO barrier, A. Kozioł-Rachwał, T. Ślęzak, M. Ślęzak, K. Matlak, E. Młyńczak, N. Spiridis and J. Korecki, Journal of Applied Physics 115, (2014). Dotychczasowe eksperymentalne badania międzywarstwowego sprzężenia wymiennego (IEC) w epitaksjalnych trójwarstwach Fe/MgO/Fe dokumentują antyferromagnetyczne sprzężenie między warstwami Fe dla grubości MgO z zakresu (4 8)Å, którego wartość maleje wykładniczo ze wzrostem grubości izolatora. Pochodzenie antyferromagnetycznego sprzężenia w tym układzie nie jest do końca wyjaśnione. Obliczenia z pierwszych zasad pokazują ferromagnetyczne sprzężenie strukturalnie idealnych warstw we wspomnianym zakresie grubości 26, podkreślając jednocześnie, iż obecność wakancji tlenowych 27, relaksacji strukturalnych 28, czy też zanieczyszczeń 26 w przekładce MgO wpływają na siłę i charakter sprzężenia. Praca dotyczy porównawczych badań międzywarstwowego sprzężenia wymiennego w układzie Fe/MgO/Fe dla trójwarstw przygotowanych bezpośrednio na podłożu MgO(001) oraz na podłożu MgO(001) pokrytym homoepitaksjalną warstwą buforową o grubości 100Å. Zastosowanie klinowej przekładki MgO w zakresie od 1.5 Å do 6 Å pozwoliło na analizę zależności siły sprzężenia międzywarstwowego od grubości przekładki. Dla trójwarstw przygotowanych na warstwie buforowej stwierdzono występowanie antyferromagnetycznego sprzężenia warstw Fe dla grubości MgO z zakresu (2 6)Å, z maksymalną wartością stałej sprzężenia biliniowego J 1 = 1.15erg/cm 2 dla grubości przekładki 2.7 Å. Wyznaczona wartość J 1 jest największą do tej pory opublikowaną wartością sprzężenia AFM w układzie Fe/MgO/Fe. Występowanie sprzężenia AFM dla bardzo cienkich przekładek MgO świadczy o wysokiej jakości strukturalnej obszarów granicznych Fe/MgO i MgO/Fe. W pracy pokazano, że wartości sprzężeń AFM są dwukrotnie mniejsze dla 20

21 trójwarstwy przygotowanej bezpośrednio na podłożu MgO(001), a grubość przekładki, dla której zaobserwowano maksymalną wartość sprzężenia AFM jest przesunięta w kierunku większych grubości MgO. Wniosek ten, w połączeniu z rezultatami badań strukturalnych, pozwolił na dyskusję wpływu warstwy buforowej na właściwości magnetyczne układu. 4.4 Publikacja IV Tunable Magnetic Properties of Monoatomic Metal-Oxide Fe/MgO Multilayers A. Kozioł- Rachwał, T. Ślęzak, K. Matlak, P. Kuświk, M. Urbaniak, F. Stobiecki, L. Yao, S. van Dijken and J. Korecki, Physical Review B, przyjęta do druku Układy wielowarstwowe typu metal izolator mają potencjalnie szerokie spektrum aplikacyjne, gdyż łączą właściwości magnetyczne cienkich warstw metalicznych ze zjawiskami występującymi w układach wielowarstwowych, takimi jak tunelowy magnetoopór (TMR) czy międzywarstwowe sprzężenie wymienne (IEC). Jak dotąd, eksperymentalne badania wielowarstw Fe/MgO ograniczały się do badań układów o grubościach podwarstw MgO rzędu kilku nm 29, dla których spodziewany jest maksymalny magnetoopór. Praca opisuje badania struktury i właściwości magnetycznych wielowarstw (Fe K /MgO L ) N o subnanometrowych grubościach podwarstw Fe i MgO (wyrażonych liczbami monowarstw K i L) oraz zmiennej liczbie powtórzeń N. Optymalizacja grubości podwarstw Fe i MgO pozwoliła na uzyskanie stabilnej ferromagnetycznej wielowarstwy dla K = 4 (6 Å) i L = 3 (6 Å) oraz N = 10. Badania CEMS oraz LMOKE pokazały, że kierunek namagnesowania układu (dla ustalonych K i L) zmienia się wraz ze wzrostem liczby powtórzeń dwuwarstw z kierunku w płaszczyźnie dla N = 10 do niemal prostopadłego do płaszczyzny wielowarstwy dla N = 20. Na podstawie analizy widm CEMS zmierzonych dla próbek z sondami mössbauerowskimi stwierdzono, że największy przyczynek do prostopadłej składowej namagnesowania pochodzi od warstw znajdujących się w środkowej części wielowarstwy, podczas gdy namagnesowanie warstw zewnętrznych ma większą składową w płaszczyźnie układu. Wyniki badań CEMS i LMOKE wskazują na obecność skomplikowanej struktury domenowej w układzie. Istnienie wirowej struktury domenowej zostało potwierdzone w symulacjach mikromagnetycznych. 21

22 Podsumowanie Za najważniejsze osiągnięcia przedkładanej rozprawy doktorskiej uznaję: 1. Zbadanie struktury i właściwości magnetycznych ultra cienkiej warstwy Fe pomiędzy MgO w układzie MgO/Fe/MgO(001). Wykorzystanie unikalnej metody NRS do wyznaczenia kierunku namagnesowania warstw Fe oraz zbadanie ewolucji struktury magnetycznej w funkcji grubości warstwy Fe. Zbadanie wpływu zmiany temperatury na procesy relaksacyjne dla ustalonych grubości Fe. 2. Wykazanie, że niskotemperaturowa preparatyka prowadzi do powstania ciągłej warstwy Fe w układzie MgO/Fe/MgO(001) dla grubości Fe równej 6 Å. 3. Zaobserwowanie reorientacji kierunku spontanicznego namagnesowania (SRT) w układzie MgO/Fe/MgO ze zmianą grubości warstw Fe i zmianą temperatury dla ustalonych grubości warstw. Określenie charakteru przejścia SRT i genezy prostopadłej anizotropii magnetycznej. 4. Zbadanie pośredniego sprzężenia wymiennego między warstwami Fe w układzie Fe/MgO/Fe/MgO(001) z klinową przekładka MgO. Porównanie wartości stałych sprzężenia dla trójwarstw preparowanych bezpośrednio na podłożu MgO(001) oraz na buforowej warstwie MgO. 5. Opisanie właściwości magnetycznych kompozytowego wielowarstwowego układu Fe/MgO. Charakteryzację właściwości magnetycznych układu w zależności od grubości podwarstw i liczby powtórzeń dwuwarstw Fe/MgO. 22

23 Bibliografia 1. J. M. D. Coey, Magnetism and Magnetic Materials, Cambridge University Press (2009). 2. L. Neel, J. Phys. Radium 15, 225 (1954). 3. M. T. Johnson, P. J. H. Bloemen, F. J. A. den Broeder and J. J. de Vries, Rep. Prog. Phys. 59, 1409 (1996). 4. U. Gradmann and J. Müller. Phys. Status Solidi 27, 313 (1968). 5. Z. Q. Qiu, J. Pearson, and S. D. Bader, Phys. Rev. Lett. 70, 1006 (1993). 6. Berger and H. Hopster, Phys. Rev. Lett. 76, 519 (1996). 7. R. Allenspach and A. Bischof, Phys. Rev. Lett. 69, 3385 (1992). 8. H. Fritzsche, J. Kohlhepp, H. J. Elmers, and U. Gradmann, Phys. Rev. B 49, (1994). 9. D. Wilgocka-Ślęzak, K. Freindl, A. Kozioł, K. Matlak, M. Rams, N. Spiridis, M. Ślęzak, T.Ślęzak, M. Zając, J. Korecki, Phys. Rev. B 81, (2010). 10. S. Arnold, D. P. Pappas, A. P. Popov, Phys. Rev. Lett. 83, 3305 (1999). 11. G. Garreau, S. Hajjar, J. L. Bubendorff, C. Pirri, D. Berling, A. Mehdaoui, R. Stephan, P. Wetzel, S. Zabrocki, G. Gewinner, S. Boukari, E. Beaurepaire, Phys. Rev. B 71, (2005). 12. P. F. Carcia, A. D. Meinhaldt, and A. Suna, Appl. Phys. Lett. 47, 178 (1985). 13. Young-Seok Kim and Sung-Chul Shin, IEEE Transaction on Magnetics, 34, 4 (1998). 14. Young-Seok Kim and Sung-Chul Shin, Phys. Rev. B 59, R6597(R) (1999). 15. H. Lee, Hui He, F. J. Lamelas, W. Vavra, C. Uher, and Roy Clarke, Phys. Rev. B 42, 1066 (1990). 16. Grünberg, R. Schreiber, Y. Pang, M.B. Brodsky, H. Sowers, Phys. Rev. Lett. 57, 2442 (1986). 17. Wilgocka Ślęzak, praca doktorska Niekolinearne struktury magnetyczne w wielowarstwowych układach Fe Au (2005). 18. M. N. Baibich, J. M. Broto, A. Fert, F. Nguyen Van Dau, and F. Petroff, P. Eitenne, G. Creuzet, A. Friederich, and J. Chazelas, Phys. Rev Lett. 61, 2472 (1988). 19. R. Röhlsberger, Nuclear Condensed Matter Physics with Synchrotron Radiation, STMP 208, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg (2004). 20. W. Sturhahn, Hyperfine Interact. 125, 149 (2000). 21. Recoil 1.05 Mössbauer Analysis Software for Windows. 22. S.D. Bader, rozdz.4 w Ultrathin Magnetic Structures II ed. B. Heinrich, J.A.C. Bland, Springer-Verlag (1994). 23. Naoto Nagaosa, Jairo Sinova, Shigeki Onoda, A. H. MacDonald, N. P. Ong, arxiv: v1 [cond-mat.mes-hall] (2009). 24. M. J. Donahue, D. G. Porter, OOMMF User s Guide, Version 1.0, Interagency Report NISTIR 6376, National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD (1999). 25. R. Shimabukuro, K. Nakamura, T. Akiyama, and T. Ito, Physica E (Amsterdam) 42, 1014 (2010). 26. M. Ye. Zhuravlev, E. Y. Tsymbal, and A. V. Vedyayev, Phys. Rev. Lett. 94, (2005). 27. M. Ye. Zhuravlev, J. Velev, A. V. Vedyayev, and E. Y. Tsymbal, J. Magn. Magn. Mater. 300, e277 (2006). 23

24 28. H. X. Yang, M. Chshiev, A. Kalitsov, A. Schuhl, and W. H. Butler, Appl. Phys. Lett. 96, (2010). 29. A. García-García, A. Vovk, J. A. Pardo, P. Štrichovanec, C. Magén, E. Snoeck, P. A. Algarabel, J. M. De Teresa, L. Morellón, and M. R. Ibarra, J. Appl. Phys. 105, (2009). 24