Morphologie-induzierte magnetische Anisotropie- und Dämpfungsphänomene
Final Report Abstract
Im Rahmen des Projekts MimAD wurde die durch periodische 1D-Nanostrukturen (Rippel) in dünnen magnetischen Schichten induzierte magnetische Anisotropie sowie Magnon-Magnon-Streuung untersucht. Die Rippel mit Wellenlängen zwischen 25 und 700 nm wurden durch Ionenstrahlerosion des Substrats (einkristallines Si bzw. MgO) erzeugt. Magnetische Schichten (polykristalline NiFe- bzw. einkristalline Fe-Filme) von ~20 nm wurden danach auf diese gerippelten Substrate mittels MBE aufgedampft und mittels Transmissions-Elektronenstrahlmikroskopie (TEM), Elektronenstrahlbeugung (LEED) sowie Rasterkraftmikroskopie (AFM, MFM) charakterisiert. Die magnetischen Eigenschaften wurden durch ferromagnetische Resonanz (FMR) und magneto-optischen Kerr-Effekt (MOKE) bestimmt. Es zeigte sich, dass sich die 1D-Rippelstruktur durch den gesamten magnetischen Film fortsetzt und aufgrund der dadurch entstehenden Dipol-Streufelder eine uniaxiale magnetische Anisotropie in ansonsten isotropen Permalloy-Schichten induziert wird. Die Richtung der uniaxialen Anisotropie wird dabei durch die Richtung der Rippel (parallel zur Wellenfront) festgelegt. Je größer die Rippelwellenlänge gewählt wird, desto kleiner wird die uniaxiale Anisotropie. Bei der Verwendung einkristalliner Fe-Filme auf MgO entsteht dadurch ein überaus interessanter Effekt: Die intrinsische kubische Anisotropie der Fe-Filme wird durch die uniaxiale induzierte Anisotropie überlagert. Dabei ist die Richtung der kubischen Anisotropie-Achsen durch das Gitter des MgO-Substrats festgelegt, wobei die Richtung der induzierten uniaxiale Anisotropie durch die Ionenstrahlerosion (Rippel-Richtung) beliebig ausgerichtet werden kann. Die Magnetisierungsdynamik, insbesondere die Frequenzabhängigkeit der FMR-Linienbreite zeigte ein zunächst unerwartetes Verhalten. Aufgrund der eigenen Arbeiten zur Magnon-Magnon-Streuung in dünnen Filmen wurde ein entsprechend gekrümmter Verlauf erwartet. Tatsächlich stellte sich bei kleinen Rippelwellenlängen von 30 nm ein linearer Verlauf, der auf rein Gilbertartige Dämpfung schließen lässt, ein. Bei größeren Wellenlängen von 200-600 nm jedoch zeigt sich ein nicht-monotones Verhalten mit zudem ausgeprägter Feldwinkelabhängigkeit. Bei angelegtem Magnetfeld entlang der Rippelrichtung zeigt sich nur das lineare Gilbert-artige Frequenzverhalten. Quer zu dieser Richtung entsteht bei etwa 10 GHz ein ausgeprägter, aber schmaler Peak in der Linienbreite, der mit dem herkömmlichen Modell der Magnon-Magnon- Streuung in dünnen Schichten nicht vereinbar ist. Die Ursache liegt in der periodischen Störung des System durch die Rippel. Die bisherige Theorie geht von zufällig verteilten magnetischen Defekten aus. Erweitert man diese Theorie auf periodische 1D-Strukturen so lässt sich das beobachtete Verhalten in der Linienbreite damit erklären. Dabei zeigt sich, dass die Frequenz und die Breite des Linienbreitenpeaks durch die Filmdicke, Defekt-Höhe und –Periodizität sowie weiterer Materialparameter bestimmt werden. Dies eröffnet interessante Möglichkeit für Anwendungen. So kann man auf diese Art und Weise die magnetische Dämpfungskonstante um mehr als 500% durch kleine Änderungen in der Resonanzfrequenz – oder falls nicht gewünscht – auch durch Änderung des Feldwinkels um 90° ändern.
Publications
- Interlayer exchange coupling of Fe/Cr/Fe thin films on rippled substrates. Phys. Rev. B 80, 214401 (2009)
M. Körner, K. Lenz, M. O. Liedke, T. Strache, A. Mücklich, A. Keller, S. Facsko, J. Fassbender
- Introducing artificial length scales to tailor magnetic properties. New. J. Phys. 11, 125002 (2009)
J. Fassbender, T. Strache, M. O. Liedke, D. Markó, S. Wintz, K. Lenz, A. Keller, S. Facsko, I. Mönch, J. McCord
- Frequency dependence of spin relaxation in periodic systems. Phys. Rev B. 84, 140410(R) (2011)
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- Magnetic anisotropy engineering: Single-crystalline Fe films on ion eroded ripple surfaces. Appl. Phys. Lett. 100, 242405 (2012)
M. O. Liedke, M. Körner, K. Lenz, F. Grossmann, S. Facsko, and J. Fassbender
(See online at https://doi.org/10.1063/1.4729151)
