Exchange coupling of Co and Fe on antiferromagnetic NiO investigated by dichroism X-Ray absorption spectromicroscopy [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Hendrik Ohldag

Exchange Coupling of Co and Fe on Antiferromagnetic NiOInvestigated By Dichroism X-Ray AbsorptionSpectromicroscopyInaugural - Dissertationzur Erlangung des Doktorgradesder Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakult¨atder Heinrich-Heine-Universit¨at Du¨sseldorfvorgelegt von Hendrik Ohldagaus Du¨sseldorfUniversit¨ats und Landebibliothek Du¨sseldorf2003Referent: Prof. Dr. E. KiskerKorreferent: Prof. Dr. K. SchierbaumTag der mu¨ndlichen Pru¨fung: 31. Oktober 2002Gedruckt mit der Genehmigung der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakult¨at derHeinrich-Heine-Universit¨at Du¨sseldorfKurzfassungIn der vorliegenden Arbeit wird die magnetische Kopplung zwischen einer du¨nnen Schichteines metallischen Ferromagneten und der antiferromagnetisch geordneten NiO(001) Ober-fl¨ache mit Hilfe polarisationsabh¨angiger R¨ontgenabsorbtions Spektromikroskopie untersucht.Derartig gekoppelte magnetische Systeme weisen typische Ver¨anderungen in ihren aniso-tropenmagnetischenEigenschaftenauf. DabeihandeltessichumeinekollineareAusrichtungvon uniaxialer und unidirektionaler Anisotropie. Die Magnetisierung des Ferromagnetenist preferentiell parallel zu einer bestimmten Achse oder sogar einer bestimmten Richtungorientiert. Die Orientierung der Achse ist bestimmt durch die Wechselwirkung mit demAntiferromagneten.
Publié le : mardi 1 janvier 2002
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Exchange Coupling of Co and Fe on Antiferromagnetic NiO
Investigated By Dichroism X-Ray Absorption
Spectromicroscopy
Inaugural - Dissertation
zur Erlangung des Doktorgrades
der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakult¨at
der Heinrich-Heine-Universit¨at Du¨sseldorf
vorgelegt von Hendrik Ohldag
aus Du¨sseldorf
Universit¨ats und Landebibliothek Du¨sseldorf
2003Referent: Prof. Dr. E. Kisker
Korreferent: Prof. Dr. K. Schierbaum
Tag der mu¨ndlichen Pru¨fung: 31. Oktober 2002
Gedruckt mit der Genehmigung der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakult¨at der
Heinrich-Heine-Universit¨at Du¨sseldorfKurzfassung
In der vorliegenden Arbeit wird die magnetische Kopplung zwischen einer du¨nnen Schicht
eines metallischen Ferromagneten und der antiferromagnetisch geordneten NiO(001) Ober-
fl¨ache mit Hilfe polarisationsabh¨angiger R¨ontgenabsorbtions Spektromikroskopie untersucht.
Derartig gekoppelte magnetische Systeme weisen typische Ver¨anderungen in ihren aniso-
tropenmagnetischenEigenschaftenauf. DabeihandeltessichumeinekollineareAusrichtung
von uniaxialer und unidirektionaler Anisotropie. Die Magnetisierung des Ferromagneten
ist preferentiell parallel zu einer bestimmten Achse oder sogar einer bestimmten Richtung
orientiert. Die Orientierung der Achse ist bestimmt durch die Wechselwirkung mit dem
Antiferromagneten. Obwohl beide Effekte bereits vor u¨ber 40 Jahren entdeckt wurden sind
siebisheuteunverstanden,daexperimentelleDatenu¨berdiemagnetischenEigenschaftender
Grenzfl¨achenichtzurVerfu¨gungstanden. DiehierangewendeteTechnikerlaubtnunerstmals
eine gleichzeitige Charakterisierung der chemischen und magnetischen Eigenschaften jedes
Elementes in einer magnetischen Multilagenstruktur, sei es ein Ferro- oder Antiferromagnet.
SomitistR¨ontgenabsorptionsSpektromikoskopieoptimalgeeignetzurErforschungmoderner
magnetischer Multilagen Du¨nnschichtsysteme.
Die folgenden Ergebnisse werden im Rahmen der Arbeit pr¨asentiert:
Die Orientierung der magnetischen Momente an der gesputterten (001) Ober߬ache von NiO
weicht von der im Festk¨orper ab, bedingt durch die mit dem Sputterprozess verbundenen
Gitterverzerrungen. Im Falle der in einer Sauerstoffatmosph¨are getemperten Oberfl¨ache von
NiOentsprichtdiemagnetischeOrientierungderimFestk¨orper,wohingegendiebeobachteten
Dom¨anenw¨ande an der Oberfl¨ache signifikant von denen im Festk¨orper abweichen, um der
Symmetriebrechung an der Ober߬ache Rechnung zu tragen. Eine Reorientierung der antifer-
romagnetischen Momente parallel zur Grenzfl¨ache wird beobachtet wenn eine du¨nne Schicht
ferromagnetischen Kobalts oder Eisen deponiert wird. Dies fu¨hrt zur Ausbildung einer anti-
ferromagnetischen Dom¨anenwand parallel zur Grenzf¨ache.
DerferromagnetischeFilmweisteineuniaxialeAnisotropieparallelzurantiferromagnetis-
chen Achse auf. Sauerstoffdiffusion an der Grenzfl¨ache zwischen ferromagnetischem Metall
undantiferromagnetischemMetalloxidfu¨hrtzurBildungeinesferrimagnetischenMischoxides
an der Grenz߬ache, welches die parallele Kopplung bestimmt.
Fu¨r Kobaltfilme auf polychristallinem NiO wurde gefunden, dass ein geringer Anteil der
Grenzfl¨ache nicht einem ¨ausserem magnetischen Feld folgt. Dieser Anteil sogenannter gepin-
nter Momente wird als Ursache der unidirektionalen Anisotropie identifiziert.
Die in dieser Arbeit gewonnenen experimentellen Ergebnisse erlauben eine umfassende
CharakterisierungdermagnetischensowiechemischenEigenschaftenderNiO(001)Ober߬ache,
sowie der Co/NiO(001) und der Fe/NiO(001) Grenzfl¨ache und dienen als Grundlage fu¨r
zuku¨nftige theoretische Modelle.Contents
Introduction 1
I Motivation and Background 3
1 Exchange Anisotropy 5
1.1 Magnetic Anisotropy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2 Exchange Bias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.1 History . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.2 Phenomenology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.3 Unsolved Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.3 Technical Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.4 Theoretical Approaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.4.1 The Meiklejohn Approach - Rigid AFM - Weak Coupling . . . . . . . 16
1.4.2 N´eel Approach - Weak AFM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.4.3 Partial Domain Wall Approach - Strong Coupling . . . . . . . . . . . 19
1.4.4 Random Interface Model. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.4.5 Spin-Flop Coupling. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.4.6 Polycrystalline Antiferromagnets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.5 Experimental Approaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.5.1 Uncompensated Moments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.5.2 Antiferromagnetic Surfaces - The Missing Experiment . . . . . . . . . 23
2 Dichroism X-Ray Absorption Spectromicroscopy 27
2.1 Polarized X-Rays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.1.1 Linear and Circular Polarized X-rays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.1.2 Mixed Polarization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.2 Experimental Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.2.1 Total Electron Yield Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.2.2 Depth Sensitivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.2.3 Photoemission Electron Microscope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.3 X-Ray Absorption Line Shape . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.3.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
I2.3.2 Energy Dependence - Chemical Specificity . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.3.3 Dichroism - Magnetic Sensitivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.3.4 X-Ray Magnetic Circular Dichroism - XMCD . . . . . . . . . . . . . . 43
2.3.5 X-ray Magnetic Linear Dichroism - XMLD . . . . . . . . . . . . . . . 47
3 Antiferromagnetic Structure of NiO 53
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.1.1 NiO as a Model Antiferromagnet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.1.2 AFM Domain Formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.2 Spin Symmetry in NiO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.2.1 T(win)-Domains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.2.2 T-Domain Walls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.3 Easy Spin Axes in NiO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.3.1 S(pin)-Domains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.3.2 AFM Domains and Lattice Distortions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.3.3 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
II Experiments and Results 63
4 Preparation of NiO 65
4.1 NiO(001) Single Crystal Surfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.1.1 Surface Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.1.2 Surface Chemistry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.2 Thin Films . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.2.1 Sputter Deposited Exchange Biased Co/NiO . . . . . . . . . . . . . . 68
4.2.2 Electron Beam Deposited Metal Films . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5 Antiferromagnetic Domain Pattern on NiO(001) 71
5.1 Sputtered Surfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.1.1 Domain Topology on Sputtered Surfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.1.2 AFM Axes on Sputtered Surfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.1.3 Summary on Sputtered Surfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.2 Annealed Surfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.2.1 In-Plane Versus Out-Of-Plane Axes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.2.2 AFM Axes on Cleaved Surfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.2.3 Surface Domain Wall versus Bulk Domain Wall . . . . . . . . . . . . . 88
5.2.4 Summary for Annealed Surfaces. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
6 Parallel Exchange Anisotropy in Co(Fe)/NiO(001) 93
6.1 General Domain Pattern on Co/NiO and Fe/NiO . . . . . . . . . . . . . . . . 93
6.2 Observations on Co/NiO(001) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
6.2.1 Azimuthal Dependence of XMLD and XMCD Images . . . . . . . . . 95
II6.2.2 Local XMCD and XMLD Spectra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
6.3 AFM Reorientation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
6.3.1 AFM Reorientation upon Deposition of a FM . . . . . . . . . . . . . . 100
6.3.2 Possible Reasons for the AFM Reorientation . . . . . . . . . . . . . . 101
6.3.3 Reorientation and Lattice Distortion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
6.3.4 Interfacial Exchange Anisotropy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
6.4 Summary on Parallel Exchange Anisotropy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
7 Blocking Temperature and AFM Domain Structure 105
7.1 Antiferromagnetic Domains Pattern near T . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106N
7.2 Temperature Dependence of the Coupled Domain Pattern . . . . . . . . . . . 108
7.3 Summary on AFM/FM Domain Structure Close to T . . . . . . . . . . . . . 110N
8 Interfacial Spins in Co/NiO and Exchange Anisotropy 111
8.1 Chemical Reaction at the Metal/NiO Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
8.1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
8.1.2 Results on Co/NiO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
8.2 Free Interfacial Spins and Uniaxial Exchange Anisotropy . . . . . . . . . . . . 115
8.2.1 Ni XMCD of a Buried Co/NiO Interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . 116
8.2.2 CoO XMLD of the Co/NiO Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
8.2.3 Temperature Dependence of the Interfacial Spin Polarization . . . . . 119
8.2.4 Magnetic Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
8.2.5 Discussion: Interfacial Uniaxial Exchange Anisotropy . . . . . . . . . 124
8.2.6 Summary: Origin of Coercivity Increase . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
8.3 Interfacial Spins and Unidirectional Exchange Anisotropy . . . . . . . . . . . 125
8.3.1 Pinned Interfacial Spins and Exchange Bias . . . . . . . . . . . . . . . 126
8.3.2 Hysteresis Loops using XMCD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
8.3.3 Diluted Pinned Interfacial Spins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
8.3.4 Discussion: Interfacial Unidirectional Exchange Anisotropy . . . . . . 133
8.3.5 Summary: Origin of Exchange Bias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
9 Summary 137
Bibliography 148
Appendix 151
IIIIV

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