Magnetoelektrische Materialien in Exchange-Bias-Systemen

Duisburg, Essen (2009), IV, 172 S.
Dissertation / Fach: Physik
Fakultät für Physik
Kleemann, Wolfgang (Doktorvater, Betreuerin)
Hertel, Riccardo (GutachterIn)
Duisburg, Essen, Univ., Diss., 2009
Abstract:
Der Widerstand einer sandwichartigen Heterostruktur, die alternierend aus ferromagnetischen (FM) und nichtmagnetischen Schichten besteht, hängt von der gegenseitigen Orientierung der magnetischen Momente in den FM Schichten ab. Problematisch bei magnetoresistiven Elektronikanwendungen sind jedoch hohe Stromdichten innerhalb von mikroelektronischen Bauelementen, die im Endeffekt die gewünschte Miniaturisierung begrenzen würden. Neue Ideen für Bauelemente, die mit möglichst geringen Strömen gesteuert werden können, sind daher willkommen.

Diese Arbeit ist so genannten Exchange Bias (EB-) Systemen gewidmet, die als Kombination aus FM und antiferromagnetischen (AF) Materialien den EB-Effekt in Form einer Verschiebung der FM Hystereseschleife entlang der Achse des Magnetfelds zeigen. In der Arbeit wurden EB-Systeme untersucht, deren AF Komponente gleichzeitig zur Klasse magnetoelektrischer (ME) Materialien gehört. Der lineare ME Effekt ermöglicht in einem derartigen Material das Induzieren elektrischer Polarization durch ein äußeres Magnetfeld bzw. das Magnetisieren durch ein elektrisches Feld. Somit kann dieser Effekt auch zur elektrischen Kontrolle magnetischer Eigenschaften in EB-Systemen in Folge der Austauschkopplung zwischen den FM und AF Komponenten verwendet werden.

Einer der wichtigsten Vertreter der Materialien mit linearem ME Effekt ist Chromoxid Cr2O3, das bei Zimmertemperatur ebenfalls AF ist. Eine indirekte elektrische Kontrolle des senkrechten EB-Effektes in Schichtsystemen Cr2O3 (0001)/[Co/Pt]_n wurde realisiert. Auf Basis dieser Ergebnisse wurden neuartige Konzepte und Anwendungen im Bereich der Datenspeicherung unter Einsatz von ME Materialen entwickelt. Bei der weiteren Ausarbeitung dieser Thematik habe ich die unten aufgelisteten Ziele verfolgt.

Um ein tieferes Verständnis des Schalteffekts in ME EB-Systemen zu erreichen, wurden die Abhängigkeiten des EB-Felds H_EB und der Koerzitivfeldstärke H_C von den elektrischen und magnetischen Einfrierfeldern, von der Dicke der FM Schicht, sowie von der Temperatur in Systemen aus dicken Cr2O3-Einkristallen untersucht. Unkompensierte Momente an einer FM-AF-Grenzfläche wurden mittels röntgenspektroskopischen Messmethoden analysiert. Zwecks Optimierung für die Datenspeicherung habe ich das komplette ME Schalten vom EB-Effekt bei der Zimmertemperatur realisiert.

Ein weiterer Schwerpunkt ist die Entwicklung von bzw. das Suchen nach neuartigen Messmethoden bzw. Materialien für ME EB-Systeme. Ein SQUID-Aufbau mit verbesserter Empfindlichkeit wurde für direkte und indirekte Messungen von elektrisch induzierten ME Effekten, unter anderem auch in dünnen ME Schichten entwickelt. Eine neue Materialklasse von Substanzen, die in Abwesenheit jeglicher Symmetrieanforderungen den nichtlinearen ME delta-Effekt zeigen, wurde anhand von ME SQUID Messungen an dem ME Multiglas (Sr, Mn)TiO3 beschrieben. Weiterhin wurden ME Eigenschaften von granularen Systemen aus FM und leitendem CrO2 mit intrinsischen Tunnelübergängen CrO2/Cr2O3/CrO2 an den Korngrenzen gemessen und deren Auswirkungen auf den Magnetotransport diskutiert.

Als letzter Schwerpunkt sind Arbeiten zur Herunterskalierung der ME Komponenten zu erwähnen. Dünne (0001) orientierte Cr2O3 - Schichten wurden mittels gepulster Laserdeposition (PLD) bzw. mit Molekularstrahlepitaxie (MBE) durch reaktives Verdampfen von Cr und Cr2O3 präpariert und in Bezug auf ihre Transport- und strukturelle Eigenschaften untersucht. Senkrechte EB-Systeme wurden auf Basis von dünnen Cr2O3-Schichten realisiert und magnetometrisch untersucht. Verschiedene Aspekte von Phasenübergängen in EB-Systemen wurden erforscht.