High-energy high-momentum surface spin waves of ultrathin epitaxial 3d transition metal lms

Jayaraman, Rajeswari

Hochenergetische und hochimpuls-Spinwellen von ultraduennen epitaktischen 3d Übergangsmetallfilmen


Oberflächen-Spinwellen von 3d-Übergangsmetallen wurden mit Hilfe eines kürzlich entwickelten hochauflösenden Elektronenspektrometers untersucht. Dazu wurden Filme aus kubisch-flächenzentriertem Kobalt auf Cu(100) Oberflächen präpariert. Die Spinwellen wurden in den [110]- und [010] Richtungen mit Wellenvektoren im Bereich von 0,02nm-1 bis 0,1nm-1 gemessen.

Die Richtungsanisotropie der Spinwellen stellte sich als sehr klein heraus. Im Wellenvektorbereich unterhalb von 0,035nm-1 wurden zusätzlich zu den Oberflächenspinwellen auch stehende Spinwellen der Filme gefunden. Die den Magnetismus tragenden 3d-Elektronen sind nicht lokalisiert, sondern bilden ein Energieband von beträchtlicher Breite. Spinwellen in diesen Systemen zerfallen rasch in Einelektronenanregungen, die mit einem Spin-flip verbunden sind (Stoner-Anregungen). Dadurch werden die Energiebreiten der Spinwellen sehr groß. Für Kobaltlme wurden diese Energiebreiten quantitativ ermittelt.

In einem nächsten Schritt wurden epitaktische Nickelfilme auf Cu(100) Ober-flächen präpariert. In Übereinstimmung mit früheren unpublizierten Arbeiten wurden jedoch keine Spinwellen auf Nickel gefunden, vermutlich wegen ihren geringen Intensität und ihrer starken Dämpfung.

Um den Einfluss von Nickel auf die Oberflächenspinwellen von Kobalt zu untersuchen, wurden ein bis drei Monolagen von Nickel auf fcc Kobaltfilme aufgebracht. Durch eine genaue Untersuchung der Intensität der Spinwellen als Funktion der Nickel-Schichtdicke lie sich zeigen, dass die Spinwellen auf der Kobaltseite der Ni/Co Grenzfläche lokalisiert bleiben. Die Abdeckung durch Nickel reduziert die Energie der Spinwellen und führt zu einer weiteren Verbreiterung des Spinwellensignals durch die zusätzlichen Zerfallskanäle für Stoner-Anregungen in der Nickelschicht.

Im Gegensatz zu Nickel ist das 3d-Band von Kupfer vollständig besetzt. Infolgedessen gibt es in Kupfer weniger Möglichkeiten für niederenergetische Anregungen, und deshalb ist die freie Weglänge für Elektronen in Kupfer größer als in Nickel. Dies eröffnet die Möglichkeit, die Spinwellen an der Cu/Co Grenzfläche auch durch dickere Kupferschichten (bis zu ~12 Monolagen) zu sehen. Eine Verbreiterung der Spinwellen und eine Absenkung der Energie ähnlich wie bei Nickel wurde beobachtet.

Infolge seines Reichtums an magnetischen und strukturellen Phänomenen zählt das epitaktische System Eisen auf Cu(100) zu den am meisten untersuchten. In Abhängigkeit von der Schichtdicke lassen sich wenigstens drei verschiedene magnetische Phasen präparieren. In dieser Dissertation wurden die Spinwellen von drei bis fünf Monolagen dicken Fe-Filmen untersucht. Aufgrund der Ähnlichkeit der Spinwellendispersion mit der an bcc-Filmen gefundenen wurde geschlossen, daß die Spinwellen von der sogenannten nanomartensitischen Phase stammen. Diese Phase ähnelt lokal der bcc Struktur, hat jedoch keine langreichweitige Ordnung. Die gleiche Dispersion der Spinwellen wurde für Eisenlme gefunden, die auf fcc Kobalt deponiert wurden. Daraus wird geschlossen, dass auch in diesem Fall eine nanomartensitische Struktur vorliegt.

Surface spin waves on 3d ferromagnetic films are studied in the large wave vector regime with the help of a recently developed high resolution electron energy loss spectrometer. <br> <br> As a rst study, face centered cubic (fcc) cobalt films were prepared by the epitaxial growth of cobalt on Cu(100). Spin waves were probed along the [110]- and the [010]-direction with in-plane wave vectors ranging from 0.02nm-1 to 0.1nm-1. The directional anisotropy in the surface spin wave dispersion is found to be very small in this system. In the low wave vector regime (wave vector < 0.035nm-1), standing spin wave modes are observed in addition to the surface spin waves. <br> <br> In cobalt, like in other transition metal ferromagnets, the 3d electrons are not localized. Rather they form a band of considerable width which offers the possibility for spin-flip excitations (Stoner-excitations) in a wide energy-momentum range. The damping of spin waves by Stoner excitations results in large energy width of the spin wave signals. For the well-defined spin waves of cobalt, the line-widths of the surface spin wave signals were quantitatively determined. <br> <br> As a next step, epitaxial nickel films were prepared by deposition on Cu(100). In agreement with earlier unpublished work, no spin wave excitation is observed in Ni by inelastic electron scattering presumably due to the strong damping of the spin waves. <br> <br> As an attempt to study the effect of nickel on cobalt surface spin waves, layers of Ni were deposited on top of Co/Cu(100). Spin waves are seen for up to three monolayers of Ni. By a careful study of the intensity of spin waves as a function of Ni layer thickness, it is proven that spin waves are localized at the Co side of the Ni/Co interface. The presence of Ni broadens the spin wave peak compared to bare Co spin waves, indicating additional decay channels provided by the nickel capping layer. <br> <br> The 3d-band of copper is fully occupied, and hence copper has less low energy excitations. As a consequence, the mean free path of electrons in copper is much larger than in nickel. This provided the opportunity to look at spin waves localized at the Co interface through thicker layers (up to ~12 layers) of copper. A similar spin wave broadening as for nickel is observed for copper. <br> <br> One of the extensively studied systems in thin film magnetism is Fe/Cu(100) due to its richness in structural and magnetic phenomena. At least three different magnetic phases can be stabilized depending on the film thickness. In this thesis, surface spin waves of three to five monolayer iron films were studied. From the similarity to the surface spin wave dispersion of bcc Fe films, it is concluded that the observed spin waves arise from the so-called nanomartensitic phase. The nanomartensitic phase is locally similar to a bcc structure, however lacking the perfect long range order of the latter. The spin wave dispersion measured on iron films deposited on fcc Co(100) is found to be nearly identical to that of Fe/Cu(100), indicating the structural similarity of the two systems.

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Jayaraman, R., 2013. High-energy high-momentum surface spin waves of ultrathin epitaxial 3d transition metal lms.
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