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Magnetoelektrische Materialien in Exchange Bias Systemen

Borisov, Pavel

Der Widerstand einer sandwichartigen Heterostruktur, die alternierend aus ferromagnetischen (FM) und nichtmagnetischen Schichten besteht, hängt von der gegenseitigen Orientierung der magnetischen Momente in den FM Schichten ab. Problematisch bei magnetoresistiven Elektronikanwendungen sind jedoch hohe Stromdichten innerhalb von mikroelektronischen Bauelementen, die im Endeffekt die gewünschte Miniaturisierung begrenzen würden. Neue Ideen für Bauelemente, die mit möglichst geringen Strömen gesteuert werden können, sind daher willkommen. Diese Arbeit ist so genannten Exchange Bias (EB-) Systemen gewidmet, die als Kombination aus FM und antiferromagnetischen (AF) Materialien den EB-Effekt in Form einer Verschiebung der FM Hystereseschleife entlang der Achse des Magnetfelds zeigen. In der Arbeit wurden EB-Systeme untersucht, deren AF Komponente gleichzeitig zur Klasse magnetoelektrischer (ME) Materialien gehört. Der lineare ME Effekt ermöglicht in einem derartigen Material das Induzieren elektrischer Polarization durch ein äußeres Magnetfeld bzw. das Magnetisieren durch ein elektrisches Feld. Somit kann dieser Effekt auch zur elektrischen Kontrolle magnetischer Eigenschaften in EB-Systemen in Folge der Austauschkopplung zwischen den FM und AF Komponenten verwendet werden. Einer der wichtigsten Vertreter der Materialien mit linearem ME Effekt ist Chromoxid Cr2O3, das bei Zimmertemperatur ebenfalls AF ist. Eine indirekte elektrische Kontrolle des senkrechten EB-Effektes in Schichtsystemen Cr2O3 (0001)/[Co/Pt]_n wurde realisiert. Auf Basis dieser Ergebnisse wurden neuartige Konzepte und Anwendungen im Bereich der Datenspeicherung unter Einsatz von ME Materialen entwickelt. Bei der weiteren Ausarbeitung dieser Thematik habe ich die unten aufgelisteten Ziele verfolgt. Um ein tieferes Verständnis des Schalteffekts in ME EB-Systemen zu erreichen, wurden die Abhängigkeiten des EB-Felds H_EB und der Koerzitivfeldstärke H_C von den elektrischen und magnetischen Einfrierfeldern, von der Dicke der FM Schicht, sowie von der Temperatur in Systemen aus dicken Cr2O3-Einkristallen untersucht. Unkompensierte Momente an einer FM-AF-Grenzfläche wurden mittels röntgenspektroskopischen Messmethoden analysiert. Zwecks Optimierung für die Datenspeicherung habe ich das komplette ME Schalten vom EB-Effekt bei der Zimmertemperatur realisiert. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Entwicklung von bzw. das Suchen nach neuartigen Messmethoden bzw. Materialien für ME EB-Systeme. Ein SQUID-Aufbau mit verbesserter Empfindlichkeit wurde für direkte und indirekte Messungen von elektrisch induzierten ME Effekten, unter anderem auch in dünnen ME Schichten entwickelt. Eine neue Materialklasse von Substanzen, die in Abwesenheit jeglicher Symmetrieanforderungen den nichtlinearen ME delta-Effekt zeigen, wurde anhand von ME SQUID Messungen an dem ME Multiglas (Sr, Mn)TiO3 beschrieben. Weiterhin wurden ME Eigenschaften von granularen Systemen aus FM und leitendem CrO2 mit intrinsischen Tunnelübergängen CrO2/Cr2O3/CrO2 an den Korngrenzen gemessen und deren Auswirkungen auf den Magnetotransport diskutiert. Als letzter Schwerpunkt sind Arbeiten zur Herunterskalierung der ME Komponenten zu erwähnen. Dünne (0001) orientierte Cr2O3 - Schichten wurden mittels gepulster Laserdeposition (PLD) bzw. mit Molekularstrahlepitaxie (MBE) durch reaktives Verdampfen von Cr und Cr2O3 präpariert und in Bezug auf ihre Transport- und strukturelle Eigenschaften untersucht. Senkrechte EB-Systeme wurden auf Basis von dünnen Cr2O3-Schichten realisiert und magnetometrisch untersucht. Verschiedene Aspekte von Phasenübergängen in EB-Systemen wurden erforscht.

The resistanse of sandwiched heterostructures composed of alternate ferromagnetic (FM) and nonmagnetic layers depends on the mutual orientation of the magnetic moments in the FM layers. However, high current densities inside of magnetoresistive devices are a challenge and might finally limit the forthcoming downscaling. That is, new ideas of devices, which can be controlled by preferably low currents, are important. This thesis is dedicated to so called exchange bias (EB) systems, which show the EB effect as a shift of the corresponding FM hysteresis loop along the magnetic field axis as a result of combining FM and antiferromagnetic (AF) materials. In this work EB systems are described, which contain AF components, pertaining at the same time to the class of magnetoelectric (ME) materials. The linear ME effect means the induction of an electric polarization by an external magnetic field, or vice versa, magnetizing the corresponding solid by an external electric field. Thus this effect can be used to control magnetic properties in EB systems, due to the corresponding exchange coupling between the FM and AF components. One of the most important representatives of materials, showing the linear ME effect, is chromium oxide Cr2O3, which is also AF at room temperature. An indirect electric control of the perpendicular EB effect in layered systems Cr2O3(0001)/[Co/Pt]_n has been realized. Novel concepts and applications for using ME materials in the field of the data storage has been developed on the basis of these results. During the further elaboration of this topic I have been focusing on the targets, which are listed below. In order to obtain a deeper understanding of the switching effect in ME systems the dependences of the EB, H_EB, and of the coercive fields, H_C, on electric and magnetic freezing fields, the FM layer thickness and the temperature have been investigated on systems built on thick single crystals of Cr2O3. Uncompensated moments at the FM-AF interface have been analyzed by methods of X-ray spectroscopy. The complete ME switching of the EB effect has been realized at room temperature with the aim of optimizing its use in devices for the data storage. The next focus is the development of novel measuring techniques and the search on new materials for ME EB systems, respectively. A SQUID setup with increased sensitivity has been developed for direct and indirect measurements of electrically induced ME effects, inter alia also in thin ME films. A new class of materials, which show the nonlinear ME delta-Effekt in the absence of any symmetry requirements, has been decribed on the basis of ME SQUID measurements on a ME multiglass (Sr,Mn)TiO3. ME properties of granular systems, consisting of FM and conductive CrO2 with intrinsic tunnel junctions CrO2/Cr2O3/CrO2 at the grain boundaries, has been measured. Its effect on the magnetotransport has been discussed. Finally, my activities, aiming at downscaling the ME components, need to be listed. Thin (0001) oriented Cr2O3 films have been grown by the techniques of pulsed laser deposition (PLD) and molecular beam epitaxy (MBE), respectively, by employing reactive evaporation of Cr and Cr2O3 and have been investigated with regard to its transport and structural properties. Perpendicular EB systems have been realized and investigated by means of magnetometry. Different aspects of phase transitions in EB systems have been investigated.

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Borisov, Pavel: Magnetoelektrische Materialien in Exchange Bias Systemen. 2010.

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