SQUID magnetometry on Fe monolayers on GaAs(001) in UHV [Elektronische Ressource] / von Thomas Kebe

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• Publié par: universitat_duisburg-essen
• Publié le: 01 janvier 2006
• Nombre de lectures: 145
• Langue: Deutsch
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Extrait

SQUID-Magnetometry
on Fe Monolayers on GaAs(001)
in UHV


Vom Fachbereich Physik
der Universität Duisburg-Essen
(Standort Duisburg)


zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktors der Naturwissenschaften
genehmigte Dissertation von



Thomas Kebe

aus Duisburg




Referent : Prof. Dr. rer. nat. Michael Farle
Korreferent : Prof. Dr. rer. nat. Wolfgang Kleemann
Tag der mündlichen Prüfung: 11.12.2006 Jessica, Phil, meinen ElternKurzfassung
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Charakterisierung des Wachstums und der magne
tischen Eigenschaften von ultradünnen Fe Filmen auf GaAs(001). Insbesondere kam hierbei ein im
Rahmen dieser Arbeit weiterentwickeltes Raster SQUID (superconducting interference device) Mag
netometer im Ultrahochvakuum (UHV) zum Einsatz. Aus dem mit diesem Gerät gemessenen mag
netischen Streufeld eines magnetisierten Films kann die remanente Magnetisierung absolut und mit
Submonolagen Nachweisempfindlichkeit bestimmt werden. Hierzu wurde im Rahmen dieser Arbeit
das magnetische Streufeld analytisch berechnet. Die Kombination von SQUID und Ferromagnetische
Resonanz Messungen (FMR) am gleichen Film im UHV erlaubt die unabhängige Bestimmung von mag
netischen Anisotropien und der Magnetisierung als Funktion der Temperatur, Schichtdicke, Substrat
topographie und Sauerstoffangebot. Die Ergebnisse sind im Einzelnen:
1. Die schichtdickenabhängige remanente Magnetisierung von 2 bis 20 Monolagen Fe auf
GaAs(001) wurde als Funktion der Temperatur ohne Deckschichten bestimmt.
2. Eine kontinuierliche Reorientierung der Magnetisierung in der Ebene (von [1 1 0] nach [1 0 0])
von Fe Filmen mit zunehmender Schichtdicke wurde mit der Raster SQUID Technik beobachtet
und zeigt gute Übereinstimmung mit FMR Messungen.
3. Die Änderung der Magnetisierung und der magnetischen Anisotropie wurde als Funktion von
Sauerstoffangebot quantitativ untersucht. Es stellt sich heraus, dass bezogen auf den sich bilden
den Eisenoxidanteil die Änderung der Magnetisierung in dünneren Filmen (5 und 8 ML) weit
größer ist als für dickere Filme (16 ML). Bei geringem Sauerstoffangebot (<10 Langmuir) wird
die senkrechte uniaxiale Anisotropiekonstante K um 40% reduziert wohingegen die anderen2?
Anistropien nur geringfügig beeinflusst werden. Diese Untersuchungen wurden durch strukturelle
IV LEED Messungen ergänzt.
4. Ein 8.6 ML Fe/GaAs(001) Film, der bei 300 K einem Sauerstoffangebot von 25000 L O ausge 2
setzt wurde, zeigte eine spontane Magnetisierungrichtung senkrecht zur Filmebene bei tiefen Tem
peraturen. Bei Erhöhung der Temperatur dreht sich die Magnetisierung zwischen 175 K<T <250
K in die Ebene hinein. Die Reorientierung wird auf die unterschiedliche Temperaturabhängigkeit
der Formanisotropie undK zurückgeführt.2?
iiiAbstract
This thesis deals with the characterization of the growth and of the magnetic properties of ultrathin Fe
films on GaAs(001). In particular, a scanning SQUID (superconducting quantum interference device)
magnetometer was used in ultrahigh vacuum (UHV), whose performance has been improved within the
scope of this thesis.
By probing the magnetic stray field of a magnetized film, the absolute remanent magnetization can
be determined with submonolayer sensitivity. In the context of this thesis the magnetic stray field has been
calculated analytically. The combined use of SQUID and ferromagnetic resonance (FMR) on the same
film in UHV allows for the independent determination of the magnetization and the magnetic anisotropy
constants as a function of temperature, film thickness, topography of the substrate and oxygen exposure.
The results of this thesis are:
1. The thickness dependent remanent magnetization from 2 to 20 monolayer (ML) Fe on GaAs(001)
without cap layer was measured as a function of temperature.
2. The continuous in plane reorientation of the magnetization (from [1 1 0] to [1 0 0]) of Fe films
with increasing film thickness was observed using the scanning SQUID technique and showed
good agreement with FMR measurements.
3. The influence of controlled oxygen exposure on the remanent magnetization and the magnetic
anisotropy constants of 5 to 16 ML Fe was investigated. A faster reduction of the magnetization is
found for the thinner Fe films when the volume of the Fe oxide is taken into consideration. At low
oxygen exposure (<10 Langmuir), the perpendicular uniaxial anisotropy constantK is reduced2?
by about 40% whereas other anisotropy contributions remain virtually unchanged. In addition,
structural investigations using IV LEED during the oxygen exposure were carried out.
4. An 8.6 ML Fe/GaAs(001) film which was exposed to 25000 L O exhibits a spontaneous mag 2
netization perpendicular to the film plane at low temperature. As the temperature is increased a
continuous reorientation of the magnetization back to the plane of the film was observed from 175
to 250 K. The can be ascribed to the different temperature dependencies of the shape
anisotropy (due to the temperature dependence of the magnetization) andK .2?
iiiivList of Abbreviations
2D / 3D = 2 dimensional / 3 dimensional
AF = antiferromagnet
AFM = atomic force microscopy
AES = Auger electron spectroscopy
bcc = body centered cubic
CEMS = conversion electron Mössbauer spectroscopy
e.a. = easy axis
FM = ferromagnet / ferromagnetic
FMR = ferromagnetic resonance
h.a. = hard axis
hcp = hexagonal close packed
IPMA = in plane magnetic anisotropy
i.p. =
¡6L = Langmuir = 10 Torr sec
LEED = low energy electron diffraction
MAE = magnetic anisotropy energy
ML = monolayer(s)
MFM = magnetic force microscopy
o.p. = out of plane
QMS = quadrupole mass spectrometer
rf = radio frequency
SC = semiconductor
SO = spin orbit (coupling, interaction etc.)
SQUID = superconducting quantum interference device
STM = scanning tunneling microscopy
UHV = ultrahigh vacuum
XMCD = X ray magnetic circular dichroism
XPS = X ray photoelectron spectroscopy
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