Thermische Stabilität und Modifizierung der magnetischen Austauschanisotropie in Schichtsystemen

In dünnen Schichtsystemen, in denen es Grenzflächen zwischen antiferromagnetischen (AF) und ferromagnetischen (FM) Bereichen gibt, kann eine unidirektionale magnetische Anisotropie beobachtet werden: die Austauschanisotropie, auch "Exchange-Bias Effekt" genannt. Die Austauschanisotropie ist die Folge einer magnetischen Kopplung zwischen AF und FM. Makroskopisch äußert sich diese Anisotropie in einer Verschiebung der Magnetisierungskurve entlang der Magnetfeldachse. Anwendung findet die Austauschanisotropie z. B. in Spin-Valve Sensoren, deren Funktionsprinzip auf dem Riesen-Magnetowiderstand (engl. giant magnetoresistance, GMR) beruht. Die (thermische) Stabilität der Austauschanisotropie ist eine wichtige Voraussetzung für technische Anwendungen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde untersucht, durch welche Materialeigenschaften die Austauschanisotropie in Schichtsystemen mit antiferromagnetischem Nickeloxid (NiO) bestimmt wird. Die Schichten wurden durch (reaktive) Kathodenzerstäubung hergestellt. Durch Variation der Depositionsbedingungen wurden Zusammensetzung und Struktur der NiO-Schichten verändert. Die Ergebnisse systematischer Analysen dieser Größen werden aufgeführt. Der Vergleich dieser Materialanalysen mit magnetischen Messungen an NiO/NiFe Schichtsystemen fšuhrt zu dem Ergebnis, dass die chemische Zusammensetzung und die Struktur der NiO-Schichten die thermische Stabilität der Austauschanisotropie entscheidend beeinflussen. Es wird zusätzlich gezeigt, dass die Stabilität der Austauschanisotropie durch einen Temperprozess im Anschluss an die Herstellung der Schichtsysteme entscheidend verbessert werden kann. Thermisch aktivierte, magnetische Relaxationsprozesse können außerdem zur Erhöhung der Austauschanisotropie führen. Des Weiteren werden zwei neuartige Methoden zur Modifizierung der Austauschanisotropie vorgestellt. Dabei wird gezeigt, dass durch die Bestrahlung der Schichtsysteme mit Helium-Ionen die magnetischen Eigenschaften der Schichtsysteme gezielt verändert und optimiert werden können. Der Einfluss der Ionenbestrahlung auf die Austauschanisotropie in NiO/NiFe Schichtsystemen und auf den Magnetowiderstand in FeMn basierten Spin-Valves steht dabei im Vordergrund der experimentellen Untersuchungen. Eine weitere Möglichkeit zur Modifizierung der Austauschanisotropie ist die Bestrahlung der Schichtsysteme mit kurzen Laserpulsen. Durch einen thermomagnetischen Prozess kann die Austauschanisotropie lokal verändert werden. Experimentelle Ergebnisse von diesem hier erstmals verwendeten Verfahren werden vorgestellt und interpretiert. Mit den beiden genannten Methoden ist es möglich, die Eigenschaften der Austauschanisotropie in Schichtsystemen nachträglich gezielt zu modifizieren.

Magnetic interactions between transition metal impurities and clusters mediated by low-dimensional metallic hosts: A first principles theoretical investigation

The magnetic properties and interactions between transition metal (TM) impurities and clusters in low-dimensional metallic hosts are studied using a first principles theoretical method. In the first part of this work, the effect of magnetic order in 3d-5d systems is addressed from the perspective of its influence on the enhancement of the magnetic anisotropy energy (MAE). In the second part, the possibility of using external electric fields (EFs) to control the magnetic properties and interactions between nanoparticles deposited at noble metal surfaces is investigated. The influence of 3d composition and magnetic order on the spin polarization of the substrate and its consequences on the MAE are analyzed for the case of 3d impurities in one- and two-dimensional polarizable hosts. It is shown that the MAE and easy- axis of monoatomic free standing 3d-Pt wires is mainly determined by the atomic spin-orbit (SO) coupling contributions. The competition between ferromagnetic (FM) and antiferromagnetic (AF) order in FePtn wires is studied in detail for n=1-4 as a function of the relative position between Fe atoms. Our results show an oscillatory behavior of the magnetic polarization of Pt atoms as a function of their distance from the magnetic impurities, which can be correlated to a long-ranged magnetic coupling of the Fe atoms. Exceptionally large variations of the induced spin and orbital moments at the Pt atoms are found as a function of concentration and magnetic order. Along with a violation of the third Hund’s rule at the Fe sites, these variations result in a non trivial behavior of the MAE. In the case of TM impurities and dimers at the Cu(111), the effects of surface charging and applied EFs on the magnetic properties and substrate-mediated magnetic interactions have been investigated. The modifications of the surface electronic structure, impurity local moments and magnetic exchange coupling as a result of the EF-induced metallic screening and charge rearrangements are analysed. In a first study, the properties of surface substitutional Co and Fe impurities are investigated as a function of the external charge per surface atom q. At large inter-impurity distances the effective magnetic exchange coupling ∆E between impurities shows RKKY-like oscillations as a function of the distance which are not significantly affected by the considered values of q. For distances r < 10 Å, important modifications in the magnitude of ∆E, involving changes from FM to AF coupling, are found depending non-monotonously on the value and polarity of q. The interaction energies are analysed from a local perspective. In a second study, the interplay between external EF effects, internal magnetic order and substrate-mediated magnetic coupling has been investigated for Mn dimers on Cu(111). Our calculations show that EF (∼ 1eV/Å) can induce a switching from AF to FM ground-state magnetic order within single Mn dimers. The relative coupling between a pair of dimers also shows RKKY-like oscillations as a function of the inter-dimer distance. Their effective magnetic exchange interaction is found to depend significantly on the magnetic order within the Mn dimers and on their relative orientation on the surface. The dependence of the substrate-mediated interaction on the magnetic state of the dimers is qualitatively explained in terms of the differences in the scattering of surface electrons. At short inter-dimer distances, the ground-state configuration is determined by an interplay between exchange interactions and EF effects. These results demonstrate that external surface charging and applied EFs offer remarkable possibilities of manipulating the sign and strength of the magnetic coupling of surface supported nanoparticles.