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Magnetic monolayers on semiconducting substrates : an in situ FMR study of Fe-based heterostructures

Zakeri Lori, Khalil

The growth, magnetic anisotropy, g-factor, and magnetization of Fe monolayers grown on GaAs(001), InAs(001), and InP(001) are investigated by a combination of \emph{in situ} ferromagnetic resonance and SQUID magnetometry as a function of temperature and film thickness. The effect of stress caused by the lattice mismatch and the surface reconstruction on the magnetic anisotropy is quantified. An in-plane spin reorientation transition as a function of film thickness is observed at room temperature for all systems. A magneto-elastic model is used to explain the direction of the easy axis, the spin reorientation transition, and the contributions to the magnetic anisotropy terms using the stress components measured directly by in situ IV-low-energy electron diffraction. While the model gives a quantitative explanation of the out-of-plane magnetic anisotropy, changes of the electronic interface structure have to be taken into account for the in-plane magnetic anisotropy. The influence of Ag and Au buffer and cap layers on the magnetic anisotropy terms are determined. The temperature dependence of the total magnetic anisotropy, as well as the surface-interface and volume contribution to the magnetic anisotropy are determined for Fe monolayers on GaAs(001). It is demonstrated that the temperature dependence of the magnetic anisotropy is correlated with the temperature dependence of the magnetization according to the Callen-Callen model. The temperature dependence of the volume contribution to the perpendicular magnetic anisotropy is fully explained by the temperature dependence of the magneto-elastic anisotropy. A temperature-driven morphological transformation occurring at a temperature higher than 550 K depending on the film thickness is observed. The thin Fe3Si binary Heusler structure epitaxially grown on MgO(001) is investigated. In addition to the structural properties, magnetic anisotropy, magnetization, g-factor, spin, and orbital magnetism, the magnetic relaxation mechanisms are determined as a function of Si concentration, sample treatment, and film thickness. The Arias and Mills model is confirmed yielding a quantitative explanation for the magnetic relaxation parameters from the ferromagnetic resonance linewidth. Two relaxation channels, i.e. dissipative isotropic Gilbert damping as well as anisotropic two-magnon scattering are simultaneously identified. It is demonstrated that changing the film thickness from 8 to 40 nm and slightly modifying the Fe concentration influences the relaxation channels and can be used to tune the relaxation rates.

Das Wachstum, die magnetische Anisotropie, der g-Faktor und die Magnetisierung von auf GaAs(001), InAs(001) und InP(001) gewachsenen Fe-Monolagen wurden durch eine Kombination von in situ UHV ferromagnetischer Resonanz und SQUID-Magnetometrie als Funktion der Temperatur und Schichtdicke untersucht. Gitterfehlanpassung und Oberflächenrekonstruktion verursachen eine Gitterverspannung, deren Einfluss auf dei magnetische Anisotropie quantifiziert wurde. Bei allen Systemen wurde bei Zimmertemperatur ein Spinreorientierungsübergang in der Ebene beobachtet. Um die leichte Richtung, den Spinreorientierungsübergang und die Anisotropiebeiträge zu erklären, wurde ein magnetoelastisches Modell herangezogen, für das mit Hilfe niederenergetischer Elektronenbeugung die Gitterverspannung direkt gemessen worden ist. Während dieses Modell eine quantitative Erklärung für die senkrechte Anisotropie gibt, muss man für die Anisotropie in der Ebene die veränderte elektronische Struktur an der Grenzfläche mit berücksichtigen. Der Einfluss von Ag- und Au-Puffer- und Abdeckschichten auf die magnetischen Anisotropiebeiträge wurde untersucht. Hierzu wurden die temperaturabhängige magnetische Anisotropie, die Oberflächen-Grenzflächen und Volumenbeiträge zur magnetischen Anisotropie von Fe-Monolagen auf GaAs(001) bestimmt. Im Rahmen des "Callen-Callen" Modells wurde der erwartete Zusammenhang zwischen magnetischer Anisotropie und Magnetisierung in dünnen Filmen bestätigt. Die Temperaturabhängigkeit des Volumenbeitrages zur senkrechten magnetischen Anisotropie wurde durch die Temperaturabhängigkeit der magnetoelastischen Anisotropie vollständig erklärt. Es wurde beobachtet, dass Fe-Filme eine temperaturgesteuerte, morphologische Umwandlung zeigen, die in Abhängigkeit von der Schichtdicke bei Temperaturen von mehr als 550 K auftritt. Ferner wurden die auf MgO(001) epitaktisch gewachsene, dünne, binäre, Fe3Si Heuslerlegierung untersucht. Zusätzlich zu den strukturellen Eigenschaften wurden die magnetische Anisotropie, die Magnetisierung, der g-Faktor, der Spin- und Bahnmagnetismus, und die magnetischen Relaxationsmechanismen als Funktion der Si-Konzentration, Probenbehandlung und Schichtdicke untersucht. Das "Arias-Mills" Modell wurde bestätigt und benutzt, um die magnetischen Relaxationsparameter zu bestimmen. Zwei unterschiedliche Relaxationskanäle, die dissipative, isotrope Gilbert-Dämpfung sowie die anisotrope Zwei-Magnonenstreuung wurden gleichzeitig identifiziert. Es konnte gezeigt werden, dass sowohl eine Änderung der Schichtdicke von 8 zu 40 nm als auch eine Modifikation der Fe-Konzentration die Relaxationskanäle beeinflussen, und somit dazu verwendet werden können, die Relaxationsraten festzulegen.

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Zakeri Lori, Khalil: Magnetic monolayers on semiconducting substrates. an in situ FMR study of Fe-based heterostructures. 2007.

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