Zwischenschicht-Austauschkopplung

Die Zwischenschicht-Austauschkopplung zwischen zwei ferromagnetischen Schichten, die über eine metallische, nichtmagnetische Schicht hinweg gekoppelt sind, ist sehr sensitiv auf die Grenzflächenmorphologie. Mittels Ionenbestrahlung kann diese Morphologie nach der Präparation gezielt verändert werden und ein Übergang von antiferromagnetischer Kopplung zu ferromagnetischer Kopplung kann mittels Ionenbestrahlung erzielt werden [1]. Dieser Effekt wurde zur rein magnetischen Strukturierung von derartigen Schichtsystemen mittels fokussierter Ionenbestrahlung angewandt. Die magnetischen Domänenuntersuchungen wurden mittels Transmissions-Röntgenmikroskopie an der Advanced Light Source in Berkeley durchgeführt. Um die elementspezifischen Abbildungsmöglichkeiten der auf dem magnetischen Röntgenzirkular-Dichroismus beruhenden Technik ausnutzen zu können wurde ein Dreilagensystem mit verschiedenen ferromagnetischen Schichten ausgewählt. Die Proben wurden auf Röntgen-transparenten Si₃N₄-Membranen mittels Sputterdeposition aufgebracht. Die antiferromagentisch gekoppelte Sandwich-Struktur besteht aus einer 16 nm Ni₈₁Fe₁₉-, einer 0.8 nm Ru- und einer 12 nm Co₉₀Fe₁₀-Schicht. Die Schichtdicke des Ru wurde so gewählt, dass die stärkste antiferromagnetische Kopplung zwischen den beiden ferromagnetischen Schichten (1. Maximum der anti-ferro-magnetischen Kopplung) erzielt wird. Abgedeckt wurde der Schichtstapel mit einer 3 nm dicken Ru-Deckschicht um einen potentiellen Sputterabtrag der magnetischen Schichten während der fokussierten Ionenbestrahlung zu vermeiden. Die magnetische Strukturierung wurde mit einem 60 keV Co²⁺ fokussiertem Ionenstrahl (IMSA-Orsay Physics) mit einem Spotdurchmesser von 50 nm durchgeführt. Die Ionen erzielen dabei eine mittlere Reichweite von 18 nm und werden somit in den magnetischen Schichtstapel implantiert. Um eine rein magnetische Strukturierung zu erzielen und chemische Effekte aufgrund der Ionenimplantation zu vermeiden wurden Co-Ionen anstelle der weit verbreiteten Ga-Ionen benutzt. In Abbildung 1 ist das Ummagnetisierungsverhalten gezeigt. 

Abbildung 1: Transmissions-Röntgenmikroskopische Domänenabbildung aufgenommen an der Co L3-Kante als Funktion des angelegten Magnetfeldes. Gezeigt sind jeweils Differenzbilder zwischen dem gesättigten Zustand und dem Bild bei dem jeweils angegebenen äußeren Magnetfeld. In den dunklen Bereichen wurde das Schichtsystem mit Ionen bestrahlt und ist somit ferromagnetisch gekoppelt. Das Ummagnetisierungsverhalten mit der Ausbildung von ca. 200 nm großen Domänenwandgebieten ist klar zu erkennen. Für weitere Details siehe Ref. [2].

Publikationen:

1. Control of interlayer exchange coupling Fe/Cr/Fe trilayers by ion beam irradiation
S. O. Demokritov, C. Bayer, S. Poppe, M. Rickart, J. Fassbender, B. Hillebrands, D. I. Kohlin, N. M. Kreines, M. O. Liedke
Phys. Rev. Lett. 90, 097201 (2003). (Link to Journal)

2. Magnetic domains and magnetization reversal of ion-induced magnetically patterned RKKY-coupled Ni81Fe19/Ru/Co90Fe10 films
J. Fassbender, L. Bischoff, R. Mattheis, P. Fischer
J. Appl. Phys. in press (2005).