Kontrolle der magnetischen Eigenschaften ultradünner metallischer Schichten durch ein elektrisches Feld in einem Elektrolyten
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Forschungsprojekt zielte darauf, über die Beladung ultradünner metallischer Schichten in einem Elektrolyten eine feldinduzierte reversible Änderung der magnetischen Anisotropie zu erreichen. Große elektrische Feldeffekte wurden an L10-FePt-und -CoPt-Schichten mit hohem Oberflächen/Volumen-Verhältnis und an kritischen Punkten erwartet. Für die Beladung in einem Elektrolyten muss ein Leitpfad über die Schichten sichergestellt sein. Mit gepulster Laserdeposition wurden zusammenhängende L10-FePt- und -CoPt-Schichten als auch granulare L10-FePt-Schichten mit Schichtdicken im Nanometerbereich auf leitfähigen Substraten abgeschieden. Dabei wurde ein tiefgreifendes Verständnis des Schichtwachstums und der L10-Ordnungseinstellung erreicht. Für CoPt-Schichten ist die Einstellung einer Nahordnung während des Abscheideprozesses entscheidend für die spätere Ausbildung einer langreichweitigen L10-Ordnung. In FePt-Schichten konnte als kritischer Punkt der Übergang von der ungeordneten A1-Phase zur geordneten L10-Phase und eine daraus resultierende Spinreorientierung realisiert werden. Messungen des polaren magneto-optischen Kerr-Effekts (MOKE) als auch des anomalen Hall-Effekts (AHE) erlaubten die präzise magnetische Charakterisierung trotz der geringen Schichtvolumina. Um magnetische Messungen auch während der elektrochemischen Beladung in einem Elektrolyten durchführen zu können, wurde eine neuartige in situ AHE-Messzelle entwickelt. Bei der Beladung der FePt- und CoPt-Schichten in Li-basierten nichtwässrigen Elektrolyten wurden damit große Änderungen der Magnetisierung und der Anisotropie detektiert. Diese Änderungen gingen deutlich über die für feldinduzierte Elektronenstrukturvariationen erwarteten hinaus. Mittels Photoelektronenspektroskopie konnte der Beweis erbracht werden, dass elektrochemische Reduktions- und Oxidationsreaktionen die magnetischen Änderungen verursachen. Die zugehörige Veröffentlichung: “Electric-field control of magnetism by reversible surface reduction and oxidation reactions” (Leistner et al., Phys. Rev. B 87 (2013) 224411) ist unter den ersten Publikationen weltweit, die die enorme Bedeutung der Grenzflächenchemie bei der Kontrolle magnetischer Eigenschaften metallischer Schichten über elektrische Felder aufzeigen. In der Fachliteratur wurde 2015 der Begriff „Magneto-ionik“ für solche durch Ionenmigration und Oxidation/Reduktion verursachten reversiblen Änderungen der magnetischen Eigenschaften eingeführt. Im weiteren Projektverlauf wurde FeOx/Fe in wässriger KOH-Lösung als neues magneto-ionisches System identifiziert. An gesputterten dünnen Fe-Schichten in 1 mol/l KOH konnte bei Raumtemperatur durch das Anlegen einer geringen elektrischen Spannung (ca. 1 V) bis zu 64% Magnetisierungsänderung erreicht werden. Eine solche elektrisch schaltbare Fe- Schicht wurde anschließend mit einer FePt-Schicht mit senkrechter Anisotropie kombiniert. Bei elektrochemischer Beladung stellen sich epitaktische FeOx/Fe/FePt-Heterostrukturen ein, in denen die durch eine elektrische Spannung induzierten Oxidations-/Reduktionsreaktionen zu einer Schichtdickenänderung der Fe-Lage führen. In der Nähe des Übergangs zu austauschgekoppelten Fe/FePt-Bilagen konnte eine starke Änderung der Spinorientierung und der effektiven Anisotropie erreicht werden. Im Projekt wurde auch an der Elektrodeposition von Fe-Nanostrukturen als Ausgangspunkt für magneto-ionische Effekte geforscht. Der Vorteil ist die schnellere und kostengünstigere Synthese ohne Vakuumtechnik. Über epitaktische Elektrodeposition wurden dabei erstmals auf einem Substrat ausgerichtete, nahezu einkristalline, quaderförmige und stabile Fe-Nanopartikel erreicht. Die im Projekt erreichten magnet-ionisch aktiven Fe- und Fe/FePt-Nanostrukturen könnten potentiell als nanoskalige, elektrisch schaltbare magnetische Bauelemente in der Spintronik, der Sensortechnik oder in magnet-basierten fluidischen Systemen Anwendung finden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Electrode processes and in situ magnetic measurements of FePt films in a LiPF6 based electrolyte. Electrochim. Acta 81 (2012) 330-337
K. Leistner, N. Lange, J. Hänisch, S. Oswald, F. Scheiba, S. Fähler, H. Schlörb, L. Schultz
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.electacta.2012.07.055) - Electric-field control of magnetism by reversible surface reduction and oxidation reactions. Phys. Rev. B 87 (2013) 224411
K. Leistner, J. Wunderwald, N. Lange, S. Oswald, M. Richter, H. Zhang, L. Schultz, S. Fähler
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevB.87.224411) - Electrochemically driven variation of magnetic properties in ultrathin CoPt-films. J. Appl. Phys. 113 (2013) 143904
L. Reichel, S. Oswald, S. Fähler, L. Schultz, K. Leistner
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.4799413) - Electrochemical and in situ magnetic study of iron/iron oxide films oxidized and reduced in KOH solution for magneto-ionic switching. Electrochem. Comm. 72 (2016) 153-156
K. Duschek, M. Uhlemann, H. Schlörb, K. Nielsch, K. Leistner
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.elecom.2016.09.018) - Research Update: Magnetoionic control of magnetization and anisotropy in layered oxide/metal heterostructures. APL Mater. 4 (2016) 032301
K. Duschek, D. Pohl, S. Fähler, K. Nielsch, K. Leistner
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.4942636) - Aligned cuboid iron nanoparticles by epitaxial electrodeposition. Nanoscale 9 (2017) 5315-5322
K. Leistner, M. Yang, C. Damm, S. Oswald, A. Petr, V. Kataev, K. Nielsch, K.L. Kavanagh
(Siehe online unter https://doi.org/10.1039/c7nr00908a)
