Magnetooptische und magnetische Eigenschaften dünner Co/EuS-Schichtproben
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Beschreibung
EuS ist wegen seiner halbleitenden und magnetischen Eigenschaften für das Spintronics-Forschungsgebiet von Interesse. Seine niedrige Curie-Temperatur (T_C,EuS = 16.6 K) steht jedoch einer industriellen Nutzbarmachung im Wege. Aus der Literatur ist eine durch antiferromagnetische (afm) Kopplung zwischen Co- und EuS-Momenten bedingte T_C,EuS-Erhöhung auf bis zu 160 K in einem phasenseparierten Co/EuS-System bekannt (Fumagalli, P.; Schirmeisen, A.; Gambino, R. J.: Exchange-induced enhancement of T_C in Co_1-x(EuS)_x macroscopic ferrimagnets. In: Phys. Rev. 57 (1998), S. 14294-14298). Um die Existenz eines solchen Effekts in Co/EuS-Schichtproben systematisch zu untersuchen, ist eine Vielzahl von Proben mittels Elektronenstrahl-Verdampfungstechnik hergestellt worden, wobei ein weiter Probenstruktur-Parameterraum abgedeckt wurde. Die magnetooptischen und magnetischen Eigenschaften sind mittels polarem magnetooptischen Kerr-Effekt (MOKE) im Photonenenergiebereich zwischen 0.8 eV und 5 eV und magnetischem Röntgen-Zirkulardichroismus (XMCD) an den Co-L_2,3- und den Eu-M_4,5-Absorptionskanten bei Raumtemperatur (RT) und tiefen Temperaturen spezifiziert worden.
An einfach-strukturierten Proben, die auf einem Cu/Si-Substrat hergestellt worden sind, lässt sich die Materialsensitivität des MOKE für dieses System belegen: Der EuS-„Fingerabdruck“ tritt bei den 10-K-Messungen in Erscheinung und hebt sich hier deutlich vom weniger ausgeprägten Co-Spektrum ab, das bei RT dominiert. Damit ist die Vorraussetzung für eine sukzessiven Ermittlung der magnetischen Eigenschaften der Co- und EuS-Schichten und dadurch für die Untersuchung von magnetischen Kopplungseffekten gegeben.
In Multischicht-Proben, die auf einem „magnetischen Substrat“ (MS) aufgedampft wurden, um senkrechten Magnetismus zu induzieren, zeigen die Spektren einiger dieser Proben bei RT im UV-Bereich auch in Remanenz eine ausgeprägte Struktur, die dem höherenergetischen Teil des EuS-„Fingerabdrucks“ gleicht. Hysteresekurven von Proben mit dünnen Co-Schichten, die bei diesen Photonenenergien aufgenommen wurden, weisen zudem eine atypische Form auf, die sich als Superposition aus einer Rechteckkurve und einer paramagnetischen Magnetisierungskurve herausstellt. Aus der Anpassung an eine Brillouin-Funktion folgt eine paramagnetische Curie-Temperatur, die nur wenig unterhalb RT liegt. Mittels umfangreicher Simulationen können diese Phänomene einer zweiten, paramagnetischen (pm) „Co“-Phase zugeordnet werden, deren Magnetisierungscharakteristik signifikant unterschiedlich zu jener des EuS ist. Eine eindeutige materialspezifische Zuordnung dieser Phase gelingt nicht; wegen vermuteter Co-Oxidation wird sie als (hypothetische) „CoCoO“-Verbindung bezeichnet. Die Struktur im UV-Bereich wird durch einen magnetooptischen Verstärkungseffekt verursacht; eine EuS-Magnetisierung in Remanenz kann bei RT nicht nachgewiesen werden.
Bei Proben mit dickeren Co-Schichten (ab 30 Å) gelingt die Brillouin-Anpassung nicht; diese Schichten sind ferromagnetisch (fm), und ihre leichte Magnetisierungsrichtung liegt in der Probenebene.
MOKE-Messungen bei 10 K belegen, dass die leichte Magnetisierungsrichtung der EuS-Schichten der Multischichten in der Probenebene liegt; aus der atypische Hystereseform einer Probe wird auf einen geringen Teil afm an das senkrecht-magnetisierte Co gekoppeltes EuS geschlossen.
Die Ergebnisse der XMCD-Untersuchungen sind bezüglich des Magnetismus bzw. der magnetischen Anisotropie der oberen Co-Schichten konsistent mit den Erkenntnissen aus den Simulationen der MOKE-Ergebnisse. Bei 77 K kann eine geringfügige EuS-Magnetisierung in einer Co/EuS-Multischicht-Probe nachgewiesen werden, die aus afm Kopplung der EuS-Momente an die obere(n), in-plane magnetisierte(n) Co-Schicht(en) resultiert. Auch bei RT weisen die Ergebnisse stark auf diesen Effekt hin. Die physikalische Ursache wird durch einen magnetischen proximity-Effekt erklärt: Aufgrund von EuS-Bandverbiegung an der Co/EuS-Grenzfläche können die Co-Minoritätsladungsträger, die eine größere Zustandsdichte an der Fermi-Energie aufweisen als die Majoritätsladungsträger, den magnetischen Austausch zwischen den lokalen Eu_2+-4f-Momenten vermitteln; dies erklärt auch die beobachtete afm-Kopplung. Dieser Effekt ist wesentlich größer als der Austauschmechanismus des reinen EuS mittels virtueller 5d-Ladungsträger.
Das System Co/EuS kann als Alternative zu den diluted magnetic semiconductors (DMS) betrachtet werden: EuS zeigt eine induzierte Magnetisierung an der Grenzfläche zum Co und dies weit oberhalb T_C,EuS.
Autor*in
Christian B Müller