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

Kebe, Thomas LSF

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 constant K2s is reduced 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 O2 exhibits a spontaneous magnetization 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 reorientation can be ascribed to the different temperature dependencies of the shape anisotropy (due to the temperature dependence of the magnetization) and K2s.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Charakterisierung des Wachstums und der magnetischen Eigenschaften von ultradünnen Fe Filmen auf GaAs(001). Insbesondere kam hierbei ein im Rahmen dieser Arbeit weiterentwickeltes Raster-SQUID (superconducting interference device) Magnetometer im Ultrahochvakuum (UHV) zum Einsatz. Aus dem mit diesem Gerät gemessenen magnetischen 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 magnetischen Anisotropien und der Magnetisierung als Funktion der Temperatur, Schichtdicke, Substrattopographie 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 bildenden 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 K2s um 40% reduziert wohingegen die anderen 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 ausgesetzt wurde, zeigte eine spontane Magnetisierungrichtung senkrecht zur Filmebene bei tiefen Temperaturen. 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 und K2s zurückgeführt.

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Kebe, Thomas: SQUID-Magnetometry on Fe Monolayers on GaAs(001) in UHV. 2007.

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