Magnetic Proximity Effects in Highly-ordered Transition Metal Oxide Heterosystems studied by Soft X-Ray Photoemission Electron Microscopy
Abstract:
In this thesis, the magnetic proximity effect (MPE) in
highly-ordered transition metal oxide (TMO) heterosystems
composed of single crystals of ferrimagnetic
(FIM) Fe3O4 and thin antiferromagnetic (AF) NiO layers has been
investigated by Photoelectron Emission Microscopy using polarized
soft x-rays (XPEEM). The systems have been prepared in-situ by
Molecular Beam Epitaxy on single crystalline Fe3O4 substrates
polished to various crystallographic surface orientations and
conditioned by Ar sputtering and annealing in O2 background. The
magnetic order was determined by vectorial magnetometry
exploiting XMCD and anisotropic XMLD for single crystalline
systems of cubic symmetry. Two major contributions to the MPE
were identified: First, short-ranged interfacial exchange
interactions create an ultrathin zone of altered magnetic
structure near the interface. Second, long-ranged magnetoelastic
interactions lead to a change of the magnetic structure on a
larger scale, affecting the whole NiO adlayer. The influence of
directional lattice strain on the magnetic order via
magnetoelastic coupling was studied by means of samples with
different crystallographic interface orientations. The strain
appears to affect the AF stacking-directions in NiO as well as
the coupling behaviour at the NiO/Fe3O4 interface. Additionally,
the in-plane bonding anisotropy of the films leads to variations
of the uncompensated magnetization induced in the NiO AF layer
via exchange coupling. It was found, that the uncompensated
magnetization resides directly at the interface, and the bulk of
the NiO layers is compensated. XMCD sum-rule analysis of a NiO
wedge on Fe3O4 (110) revealed extremal values for the Fe and Ni
orbital moments for 1ML, possibly related to the reconstruction
of the interface layer to NiFe2O4. Temperature-dependent
measurements of the XMD contrast reveal lowered critical
temperatures for both NiO and Fe3O4 due to finite size effects
and interfacial coupling. Fits of the theoretically expected
XMLD contrast to profiles of the exchangeinduced AF domain walls
yielded a wall structure consistent with a simple coherent
in-plane rotation model of the NiO spin-axis. In
magnetically-annealed samples, the anisotropy of the
Fe3O4 (110)/NiO interface was found to be altered, leading to
non-crystallographic easy-axes. In a simple picture, the effect
may be explained as a superposition of bulk and interfacial
magnetocrystalline and magnetoelastic anisotropies. A
highly-ordered Fe3O4 (110)/NiO[51Å]/Co[15Å] trilayer-system was
found to exhibit the same composite anisotropy as mentioned
before, and in addition a possibly roughness-driven perpendicular
interlayer coupling between Co and Fe3O4.
Zusammenfassung:
In dieser Arbeit wurde der Magnetische Proximitätseffekt in
hochgeordneten Übergangsmetalloxid-Heterosystemen bestehend aus
ferrimagnetischen (FIM) Fe3O4 Einkristallen und dünnen
antiferromagnetischen (AF) NiO Schichten mittels
Weichr¨ontgen-Photoemissions-Elektronenmikroskopie
untersucht. Die Schichtsysteme wurden in-situ mittels
Molekularstrahlepitaxie auf einkristallinen Fe3O4-Substraten
hergestellt, welche durch Ar-Sputtern und Tempern in Sauerstoff
vorbereitet wurden. Die magnetische Ordnung wurde mittels
vektorieller Magnetometrie unter Ausnutzung des Magnetischen
Zirkulardichroismus (XMCD) und des anisotropen Lineardichroismus
(XMLD) bestimmt. Zwei Hauptbeiträge zum Magnetischen
Proximitätseffekt konnten identifiziert werden: Erstens wird
durch kurzreichweitige Austauschwechselwirkung eine ultradünne
Zone veränderter magnetischer Struktur nahe der Grenzfläche
induziert. Zweitens führen magnetoelastische Wechselwirkungen zu
einer Veränderung der magnetischen Ordnung auf größerer Skala,
wodurch meist die gesamte NiO Schicht betroffen ist. Der Einfluss
gerichteter Gitterverzerrungen auf den Magnetismus mittels
magnetoelastischer Kopplung wurde an Hand von Proben mit
verschiedenen kristallographischen Grenzfl ächenorientierungen
untersucht. Die Verzerrung scheint sowohl die AF Stapelrichtungen
in NiO als auch das Kopplungsverhalten an der Fe3O4/NiO
Grenzfläche zu beeinflussen. Des weiteren führt die
Bindungsanisotropie in der Grenzflächenebene zu Variationen der
durch den Grenzflächenaustausch induzierten unkompensierten
Magnetisierung in NiO. Ferner wurde beobachtet, dass die
unkompensierte Ni-Magnetisierung direkt an der Grenzfläche
lokalisiert ist, während das Innere der NiO Schichten
kompensiert ist. Analyse der XMCD Summenregeln in einem NiO-Keil
auf Fe3O4 (110) zeigte extremale Werte für das Fe- und Ni-
Bahnmoment für etwa 1ML Schichtdicke, möglicherweise in
Verbingung mit der Rekonstruktion der Grenzflächenlage zu
NiFe2O4. Tempearaturabhängige Messungen des dichroischen
Kontrastes zeigen erniedrigte kritische Temperaturen sowohl für
NiO als auch für Fe3O4, in Folge von Finite-Size Effekten und
Grenzflächenaustauschkopplung. Fits des theoretisch erwarteten
XMLD Kontrastes an Linienprofile der austauschinduzierten AF
Domänenwände in NiO ergaben, dass die Wandstruktur konsistent
ist mit einem einfachenModell einer kohärenten
Spinachsenrotation in der Schichtebene. In magnetisch getemperten
Proben wurde eine veränderte Anisotropie der Fe3O4 (110)/NiO
Grenzfläche festgestellt, welche nichtkristallographische
leichte Achsen aufwies. In einem einfachen Modell könnte dieser
Effekt als eine Überlagerung von Volumen- und
Grenzflächenanisotropien magnetokristalliner und
magnetoelastischer Natur angesehen werden. Schließlich wurde in
einem Fe3O4 (110)/NiO[51Å]/Co[15Å] Dreifachschichtsystem die
gleiche zuvor erwähnte Gesamtanisotropie gefunden, zusätzlich
jedoch eine möglicherweise rauhigkeitsinduzierte senkrechte
Zwischenschichtkopplung von Cobalt und Fe3O4.
Preview
Cite
Citation style:
Could not load citation form.