Unidirektionale Anisotropie - Exchange Bias

Der so genannte Exchange Bias Effekt tritt bei Schichtsystemen auf, die eine Grenzfläche zwischen einem ferromagnetischen und einem antiferromagnetischen Material besitzt. Bei geeigneter Präparation ist die Hysteresekurve des Ferromagneten um das so genannte Ex-change-Bias Feld verschoben. Mit Hilfe von He-Ionenbestrahlung kann sowohl die Stärke [1] als auch die Richtung [2] dieses Feldes modifiziert werden. Dieser Effekt wurde sowohl zur magnetischen Strukturierung [3] als auch zur verbesserten Herstellung von magnetischen Sensoren [4] angewandt.  

Im Folgenden ist ein Beispiel für die rein magnetische Strukturierung gezeigt (aus [5]). Als Modell-System wurde die folgende Schichtstruktur gewählt: Glass-Substrat / 4 nm Ta / 20 nm PtMn / 6 nm NiFe / 4 nm Ta. Dieses Schichtsystem ist sehr sensitiv auf die Ionenbestrahlung, da es sich bei PtMn um eine Legierung handelt, die nur in der geordneten L10-Phase die gewünschten antiferromagnetischen Eigenschaften besitzt. Somit ist es möglich rein magnetische Mikro- und Nanostrukturen zu erzeugen, die nur eine minimale Oberflächenkorrugation aufgrund von Sputter-Effekten zeigen. Mittels 25 keV fokussierter Ga+-Ionenbestrahlung (IMSA-OrsayPhysics) wurden Streifen mit einer Breite von 1 µm, einer Länge von 1000 µm und einem Abstand von 1 µm mit der langen Achse parallel zur Exchange-Bias-Richtung mit einer Ionendosis von 2*10¹⁴ Ga/cm² bestrahlt. Zusätzlich wurde eine Fläche von 300x300 µm² homogen mit der gleichen Dosis bestrahlt.

	Abbildung 1: Ummagnetisierungskurven an verschiedenen Probenstellen: a) nach Deposition und Magnetfeld-Temperung. b) homogen bestrahlte Fläche und Streifen-Array. Die Hysteresekurven sind der Klarheit halber gegeneinander verschoben (y-Offset). (aus Ref. [5])
In Abbildung 1 sind die Hysteresekurven für die verschiedenen Probenstellen gezeigt. Auf einer unbestrahlten Fläche findet man ein Exchange-Bias-Feld von 180 Oe (a); auf der homogen mit Ionen bestrahlten Fläche eine komplette Unterdrückung des Ex-change-Bias-Effektes (b). Überraschender Weise zeigt jedoch die in Streifen magnetisch strukturierte Fläche keine einfache Überlagerung der beiden anderen Hysteresekurven. Aufgrund der Austauschwechselwirkung zwischen den bestrahlten und unbestrahlten Bereichen ist das Exchange-Bias-Feld auf ca. 35 Oe reduziert. Hier zeigt sich bereits, dass eine magnetische Strukturierung zu einer Modifikation der globalen magnetischen Eigenschaften führen kann. Um dieses Verhalten genauer zu verstehen Untersuchungen mittels Kerr-Mikroskopie (Abb. 2) und magnetischer Rasterkraftmikroskopie (Abb. 3) durchgeführt. Bei bestimmten angelegten Magnetfeldern zeigt sich ein Kontrast, der antiparallel ausgerichteten Magnetisierungsrichtungen entspricht. Bei steigender Magnetfeldstärke bewegen sich die Domänenwände zwischen den verschiedenen Bereichen (bestrahlt und unbestrahlt) derart, dass die Fläche mit der Magnetisierungsrichtung parallel zum angelegten Feld auf Kosten derer, deren Magnetisierungsrichtung antiparallel zum angelegten Feld ausgerichtet ist, ansteigt. Daraus resultiert eine insgesamt stark verringerte Exchange-Bias-Feldstärke für das Streifen-Array.
Abbildung 2: Kerr-Mikroskopie Bilder des Streifen-Arrays. Zu Beginn ist die Magnetisierungsrichtung homogen nach oben ausgerichtet. Bei einer Magnetfeldstärke von -13.6 Oe tritt ein deutlicher Kontrast auf. Die Magnetisierung in den bestrahlten Streifen liegt nun antiparallel zu den umgebenden nicht bestrahlten Streifen. Bei weiter steigender antiparalleler Magnetfeldstärke nehmen die Flächen mit einer Magnetisierungsrichtung parallel zum angelegten Feld auf Kosten der dazwischen liegenden antiparallel ausgerichteten Flächen zu. Die Breite der dunklen Streifen nimmt ab. Die kontinuierliche Domänenwandbewegung zeigt sich auch in der graduellen Reduktion der Magnetisierung in Abbildung 2 b). Erst oberhalb von Magnetfeldstärken von -102 Oe ist die Magnetisierungsrichtung in den nicht bestrahlten Bereichen parallel zum angelegten Magnetfeld ausgerichtet. Bei wieder ansteigendem Magnetfeld ist das hysteretische Verhalten im Auftreten der fleckigen Domänenstrukturen klar zu erkennen. (aus Ref. [5])	Abbildung 3: Magnetische Rasterkraftmikroskopie (MFM) Bilder des Streifen-Arrays (unten) und der angrenzend komplett unbestrahlten Fläche (oben). (aus Ref. [5])

 

Publikationen:

1. Suppression of exchange bias by ion irradiation
T. Mewes, R. Lopusnik, J. Fassbender, B. Hillebrands, M. Jung, D. Engel, A. Ehres-mann, H. Schmoranzer
Appl. Phys. Lett. 76, 1057 (2000).

2. Local manipulation and reversal of the exchange bias field by ion irradiation in FeNi/FeMn double layers
A. Mougin, T. Mewes, M. Jung, D. Engel, A. Ehresmann, H. Schmoranzer, J. Fass-bender, B. Hillebrands
Phys. Rev. B 64, 060409(R) (2001).

3. Magnetization reversal of exchange bias double layer magnetically patterned by ion irradiation
J. Fassbender, S. Poppe, T. Mewes, A. Mougin, B. Hillebrands, D. Engel, M. Jung, A. Ehresmann, H. Schmoranzer, G. Faini, K. J. Kirk, J. N. Chapman
Phys. Stat. Sol. (a) 189, 439 (2002).

4. Ion irradiation for magnetic sensor applications
J. Fassbender, S. Poppe, T. Mewes, J. Juraszek, B. Hillebrands, D. Engel, M. Jung, A. Ehresmann, H. Schmoranzer, K. U. Barholz, R. Mattheis
Appl. Phys. A 77, 51 (2003).

5. Domain structure of magnetically micro-patterned PtMn/NiFe exchange biased bilay-ers
K. Potzger, L. Bischoff, M. O. Liedke, B. Hillebrands, M. Rickart, P. P. Freitas, J. McCord, J. Fassbender
IEEE Trans. Magn., in press (2005).

 

Poster

1. Magnetic domain structure of magnetically micro-patterned PtMn/NiFe exchange bi-ased bilayers
K. Potzger, L. Bischoff, M. O. Liedke, B. Hillebrands, M. Rickart, P. P. Freitas, J. McCord, J. Fassbender
International Magnetics Conference, Intermag 2005, Nagoya, Japan. (Link to pdf)