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Electronic Structure of Ferromagnet-Insulator Interfaces : Fe/MgO and Co/MgO

Müller, Martina

In this thesis the electronic structure of Fe/MgO and Co/MgO ferromagnet-insulator interfaces, representing material systems which are widely used in magnetic tunnel junctions, is studied by means of spin- and angle-resolved photoemission spectroscopy. The photoemission studies focus particularly on the response of the ferromagnetic electronic system in contact with MgO of varying stoichiometries, as this reflects the mechanisms of metal-oxide bonding at real ferromagnet-insulator interfaces. The correlation between chemical bonding and electronic structure formation is analyzed by combining information from core- and valence-band photoemission spectroscopy. The spectral features are compared to band structure calculations, which are performed using the SPR-KKR method. The Fe/MgO and Co/MgO systems are prepared by molecular beam epitaxy under ultrahigh vacuum conditions on well-defined (4x6) GaAs(001) substrates. A structural analysis by means of low-energy electron diffraction (LEED) reveals their body-centered cubic crystalline structure, whereas the chemical characterization by Auger electron spectroscopy is used to quantify the chemical environment at the sample surfaces. The magnetic analysis, using the magneto-optical Kerr effect, reveals the uniaxial anisotropy of the ferromagnetic layers. A crucial parameter is given by the MgO degree of oxidation, which is addressed by means of core-level spectroscopy and quantified by suitable fitting procedures of the Mg 2p core level. The results of the photoemission experiments show, that the electronic structure of the Fe/MgO and Co/MgO ferromagnet/insulator interfaces and, consequently, the interfacial spin polarization are sensitively controlled by the interface chemistry. In particular, three distinct scenarios are identified: the nearly stoichiometric, the oxygen-deficient and the over-oxidized ferromagnet/MgO interface. Each case is defined by innate characteristics of the electronic structure at the Fermi level: While the spin polarization is conserved for nearly stoichiometric MgO overlayers, a beneficial and detrimental impact on the latter is manifested for oxygen-deficient and over-oxidized MgO/ferromagnet interfaces, respectively. The modifications of the electronic structure are interpreted with regard to possible models of the interface atomic environment, which reflect the types of chemical bonding mechanisms at the ferromagnet-insulator interfaces.

In dieser Arbeit wird die elektronische Struktur von Fe/MgO und Co/MgO Ferromagnet-Isolator-Grenzflächen mittels spin- und winkelaufgelöster Photoemissionsspektroskopie untersucht. Diese Materialsysteme werden typischerweise in magnetischen Tunnelkontakten eingesetzt. Die Photoemissionsuntersuchungen zielen im Besonderen auf Änderungen der elektronischen Struktur des Ferromagneten ab, die durch den Kontakt mit Magnesiumoxidschichten variierender Stöchiometrie hervorgerufen werden. Die Korrelation zwischen chemischer Bindung und elektronischer Struktur wird durch die Kombination von Rumpfniveau- und Valenzbandphotoemissionsspektroskopie analysiert. Die spektralen Charakteristiken werden mit theoretischen Bandstrukturen verglichen, für deren Berechnung die SPR-KKR Methode eingesetzt wird. Die Fe/MgO und Co/MgO Systeme werden mittels Molekularstrahlepitaxie unter Ultrahochvakuum-Bedingungen auf wohldefinierten 4x6-GaAs(001) Substraten deponiert. Zur Analyse der Struktur wird die Beugung niederenergetischer Elektronen (LEED) eingesetzt, die eine kubisch-raumzentrierte Kristallstruktur der ferromagnetischen Schichten verifiziert. Augerelektronenspektroskopie wird zur quantitativen Analyse der chemischen Beschaffenheit der Probenoberflächen verwendet. Die uniaxiale magnetische Anisotropie der ferromagnetischen Schichten wird mit Hilfe des magneto-optischen Kerr-Effekts bestimmt. Ein wichtiger Parameter ist der Oxidationsgrad der Magnesiumoxidschichten, welcher durch geeignete Fit-Prozeduren des Mg 2p Rumpfniveaus klassifiziert wird. Die Ergebnisse der Photoemissionsexperimente zeigen, dass die elektronische Struktur an Ferromagnet-Isolator Grenzflächen - und mit ihr die Spinpolarisation des Systems - empfindlich von der chemischen Beschaffenheit der Grenzfläche abhängt. In diesem Zusammenhang werden drei Systeme untersucht, die in experimentell hergestellten Ferromagnet-Isolator Schichtsystemen auftreten können: die stöchiometrische, die unteroxidierte und die überoxidierte Fe/MgO und Co/MgO Grenzfläche. In den jeweiligen Fällen können charakteristische Eigenschaften der elektronischen Struktur an der Fermienergie definiert werden. Dabei hängt die Höhe der Spinpolarisation vom Oxidationsgrad der Grenzfläche bzw. der Oxidschicht wie folgt ab: Während die Spinpolarisation im Fall einer stöchiometrischen MgO Bedeckung erhalten bleibt, wird eine Erhöhung bzw. Reduktion der Spinpolarisation für unter- bzw. überoxidierte Grenzflächen beobachtet. Die Modifikationen der elektronischen Struktur werden im Zusammenhang möglicher Modelle der atomaren Struktur der Grenzfläche interpretiert, die die Mechanismen der chemischen Bindung an der Grenzfläche widerspiegeln.

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Müller, Martina: Electronic Structure of Ferromagnet-Insulator Interfaces. Fe/MgO and Co/MgO. 2007.

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