The magnetic properties of ultrathin Cobalt multilayers symmetrically and antisymmetrically sandwiched between layers of platinum and iridium

Abstract

This thesis deals with a systematic study of magnetic properties, i.e. saturation magnetization, exchange stiffness, anisotropy, interlayer exchange coupling, and average domains size, of ultrathin Co-based multilayer systems. The multilayers were prepared by DC-magnetron sputtering and the Co-layers are sandwiched either symmetrically or antisymmetrically between nonmagnetic spacer layers of Pt or Ir. Various experimental techniques were employed to study the different properties and their Co-thickness-driven evolution. The saturation magnetization was measured using ferromagnetic resonance spectroscopy (FMR), while anisotropies and interlayer exchange coupling were deter-mined from measurements of the magneto-optic Kerr effect (MOKE). The exchange stiffness is extracted from domain wall profiles acquired with X-ray holographic microscopy (XHM). To this end, the fabrication scheme of the X-ray optics used in the microscope was improved and a lateral resolution of sub-12 nm experimentally proven. The average domain size was obtained from intensity profiles acquired via X-ray resonant magnetic scattering (XRMS). From the comparison of measured domain sizes to ones calculated from domain spacing models, the strength of the Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI) can be estimated. It is shown that this method, which is frequently applied in literature, is prone to problems, such as the strong dependence on all other magnetic parameters, as well as on the geometry of the domain pattern, the influence of domain wall pinning, and the various models producing differing results. This aggravates the comparison of values between different groups and strongly limits the applicability. Unlike in recent publications concerning similar multilayer systems, the values measured for the saturation magnetization down to layer thicknesses of 2 nm are in line with the literature value for bulk Co. MOKE data suggest that bulk-like values persist down to ≈ 1 nm. The exchange stiffness was found to be considerably reduced in ultrathin layers compared to the bulk value of fcc Co. The reduction is attributed to interdiffusion at the interfaces and a model is developed that describes the reduction in dependence of the Co thickness and thewidth of the interdiffusion zone. A spin reorientation transition (SRT) from perpendicular to easy-plane magnetization was ob-served, which is driven by the Co thickness. The transition, however, is strongly influenced by the number of repetitions N and the thickness of the non-magnetic spacer layers. Perpendicular magnetization was observed far beyond the zero crossing of the effective anisotropy for N ≥ 6, which is attributed to the formation of a three-dimensional magnetic microstructure, the so-called vortex state. In the antisymmetric systems, the stacking sequence plays a crucial role. Both, anisotropy and interlayer exchange coupling are altered by inversion of the sequence. The interlayer exchange coupling changes from a strictly ferromagnetic to an oscillatory behavior, like it is found for a pure Ir spacer layer, but with a longer period length, which is dependent on the thickness of both spacer layers. Finally, perpendicular domains were observed also in antiferromagnetically coupled multilayers, starting from a specific Co-layer thickness, and extending far beyond the zero crossing of the effective anisotropy. While such domains were proposed and observed in such systems for weak effective anisotropies favoring perpendicular magnetization, their presence beyond the zero crossing has not been described before.

Diese Doktorarbeit befasst sich mit der systematischen Untersuchung von sehr dünnen kobaltbasierten Multilagensystemen im Hinblick auf ihre magnetischen Eigenschaften, d.h. Sättigungsmagnetisierung, Austauschsteiffigkeit, magnetische Anisotropie, Zwischenlagenaus-tauschkopplung und mittlere Domänengröße. Die Kobaltlagen sind symmetrisch oder antisym-metrisch von nichtmagnetischen Zwischenlagen aus Platin oder Iridium eingefasst und wurden mittels Gleichspannungs-Kathodenzerstäubung präpariert. Die verschiedenen Eigenschaften wurden mittels unterschiedlicher experimenteller Techniken auf ihre kobaltschichtdickenabhängige Entwicklung untersucht. Für die Untersuchung der Sätti-gungsmagnetisierung wurde ferromagnetische Resonanzspektroskopie eingesetzt, während Anisotropie und Zwischenlagenkopplung durch Messung des magnetooptischen Kerr-Effektes (MOKE) untersucht wurden. Die Austauschsteiffigkeit wurde aus Domänenwandprofilen extrahiert, welche mit röntgenholographischer Mikroskopie (XHM) aufgenommen wurden. Um dies zu ermöglichen wurde der Herstellungsprozess eines für dieses Mikroskop essentiellen röntgenoptischen Bauteils verbessert und eine räumliche Auflösung von unter 12 nm experimentell nachgewiesen. Die Bestimmung der mittleren Domänengröße erfolgte aus Intensitätsprofilen, welche mittels resonanter Röntgen-Kleinwinkelstreuung (XRMS) gemessen wurden. Aus dem Vergleich der experimentell bestimmten und mit Modellen berechneten Domänengrößen kann die Stärke der Dzyaloshinskii-Moriya Wechselwirkung (DMI) bestimmt werden. Es wird gezeigt, dass diese häufig in der Literatur verwendete Methode sehr problemanfällig ist, was den Vergleich von Werten zwischen verschidenen Arbeitsgruppen erschwert und die Verlässlichkeit so gewonnener Ergebnisse in Frage stellt. Diese Anfälligkeit ist der starken Abhängigkeit von den übrigen magnetischen Parametern sowie dem Einfluss von Pinning, der Geometrie des Domänenmusters, sowie abweichenden Vorhersagen der unterschiedlichen verwendeten Modelle geschuldet. Im Gegensatz zu mehreren kürzlich erschienen Publikationen zu ähnlichen Multilagensystemen, wurden für Kobaltschichtdicken bis zu 2 nm Sättigungsmagnetisierungswerte gemessen die in Übereinstimmung mit dem Literaturwert für Kobaltvolumenkristalle sind. Aus MOKE Messun-gen wurde abgeschätzt, dass volumenartige Werte bis Schichtdicken von 1 nm vorherschen. Für die Austauschsteiffigkeit wurde ein im Vergleich zu fcc Volumenkobalt stark verringerter Wert gemessen. Die Reduktion wird auf Durchmischung an den Grenzflächen zurückgeführt und ein Modell entwickelt, welches die Reduktion in Abhängigkeit der Kobaltschichtdicke und der Breite der Durchmischungszone an der Grenzfläche beschreibt. Es wurde ein kobaltdickengetriebener Spinreorientierungsübergang (SRT) beobachtet, bei wel-chem sich die Vorzugsrichtung der Magnetisierung von senkrecht zu in der Ebene verändert. Die Art des Übergangs ist allerdings stark von der Anzahl der Multilagen N und der Dicke der nichtmagnetischen Zwischenlagen abhängig. Auch noch in Bereichen jenseits des Null-durchgangs der effektiven Anisotropiewurden für N ≥ 6 senkrechte Domänen beobachtet, welche der Entstehung einer dreidimensionalen Magnetisierungsverteilung zugeschrieben wird. Es hat sich gezeigt, dass in den antisymmetrischen Systemen die Reihenfolge der Schichten eine entscheidende Rolle für die resultierenden Eigenschaften spielt. Sowohl die Anisotropie wie auch die Zwischenlagenaustauschkopplung werden davon entscheidend beeinflusst. Durch die Umkehrung der Schichtenfolge wird ein Wechsel von ausschließlich ferromagnetischer Kopplung zu einem periodisch zwischen ferro- und antiferromagnetisch oszillierenden Verhalten hervorgerufen – ein Verhalten, welches bereitsvon Zwischenlagen aus reinem Iridium bekannt ist. Die Oszillation erfolgt jedoch mit einer längeren Periodenlänge welche sowohl von der Dicke wie auch der Zusammensetzung der Zwischenlagen abhängig ist. Des Weiteren wurden senkrecht magnetisierte Domänen auch in antiferromagnetisch gekoppelten Multilagen oberhalb einer spezifischen Kobaltschichtdicke beobachtet, die sich bis weit über den Nulldurchgang der effektiven Anisotropie hinaus beobachteten ließen. Während derartige Domänen für solche Systeme im Bereich von schwacher senkrechter Anisotropie vorhergesagt und bereits beobachtet wurden, ist deren Präsenz jenseits des Nulldurchgangs bisher nicht berichtet worden.