Universität zu Köln

Temperature-Induced Metamagetic Transition and Domain Structure of Single-Crystalline FeRh Thin Films on MgO(100)

Zhou, Xianzhong (2013) Temperature-Induced Metamagetic Transition and Domain Structure of Single-Crystalline FeRh Thin Films on MgO(100). PhD thesis, Forschungszentrum Jülich.

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    Abstract

    Exchange systems of FeRh with a hard magnetic layer are a promising approach for heat-assisted magnetic recording that can largely increase the storage density of hard disk drives. The FeRh alloy is known to undergo a temperature-induced metamagnetic transition from antiferromagnetic (AFM) to ferromagnetic (FM) just above the room temperature. But the AFM and FM phases coexist across the tran- sition in single-crystalline FeRh thin films with thin capping layers (e.g. Au, Al, or MgO). In order to investigate the intrinsic surface magnetic properties, single- crystalline FeRh films without capping layer are prepared by two kinds of experi- mental procedures. For the ex-situ sample preparation procedure, two 40nm thick, single-crystalline FeRh films are prepared on MgO(100) by separate layer deposition of Fe and Rh. X-ray photoemission spectroscopy (XPS) immediately after the deposition shows that one sample is Rh-rich and the other Fe-rich. The samples are exposed to air and transferred to a second ultra-high vacuum (UHV) system to perform the magnetic characterization. This transfer results in a contamination by C and O. After surface cleaning by high-temperature annealing the Rh-rich sample is still slightly contaminated with C, while the Fe-rich surface is oxidized. Magneto-optical Kerr effect (MOKE) measurements reveal that only the Rh-rich sample shows the metamagnetic transition below room temperature. The Fe-rich sample is FM at 193 and 293 K. Scanning electron microscopy with polarization analysis (SEMPA) reveals that the Rh-rich surface is FM at all temperatures between 160 and 450 K although the bulk is AFM below room temperature. For the in-situ sample preparation procedure, a 10 nm single-crystalline FeRh film is prepared on MgO(100) again by separate layer deposition of Fe and Rh but now in the same UHV system as all characterizations. Thus, the intrinsic properties of the single-crystalline FeRh film are investigated without exposure to air and additional cleaning steps. The in-situ prepared FeRh film also exhibits the metamagnetic phase transition below room temperature as indicated by MOKE. The temperature dependent domain structure obtained by SEMPA reveals that FM domains exist at the surface while the bulk is AFM. In contrast to the ex-situ prepared sample the domain size changes drastically at the transition temperature. This is related to a spin reorientation transition from out-of-plane to in-plane between 350 to 400 K. The results show that the previously observed coexistence of the FM state at the surface and the AFM phase in the bulk is not due to an artifact of capping layers or surface contamination. This coexistence is shown in this work to be an intrinsic property of (100) surfaces of single-crystalline FeRh thin films on MgO(100).

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    Exchange systems of FeRh with a hard magnetic layer are a promising approach for heat-assisted magnetic recording that can largely increase the storage density of hard disk drives. The FeRh alloy is known to undergo a temperature-induced metamagnetic transition from antiferromagnetic (AFM) to ferromagnetic (FM) just above the room temperature. But the AFM and FM phases coexist across the tran- sition in single-crystalline FeRh thin films with thin capping layers (e.g. Au, Al, or MgO). In order to investigate the intrinsic surface magnetic properties, single- crystalline FeRh films without capping layer are prepared by two kinds of experi- mental procedures. For the ex-situ sample preparation procedure, two 40nm thick, single-crystalline FeRh films are prepared on MgO(100) by separate layer deposition of Fe and Rh. X-ray photoemission spectroscopy (XPS) immediately after the deposition shows that one sample is Rh-rich and the other Fe-rich. The samples are exposed to air and transferred to a second ultra-high vacuum (UHV) system to perform the magnetic characterization. This transfer results in a contamination by C and O. After surface cleaning by high-temperature annealing the Rh-rich sample is still slightly contaminated with C, while the Fe-rich surface is oxidized. Magneto-optical Kerr effect (MOKE) measurements reveal that only the Rh-rich sample shows the metamagnetic transition below room temperature. The Fe-rich sample is FM at 193 and 293 K. Scanning electron microscopy with polarization analysis (SEMPA) reveals that the Rh-rich surface is FM at all temperatures between 160 and 450 K although the bulk is AFM below room temperature. For the in-situ sample preparation procedure, a 10 nm single-crystalline FeRh film is prepared on MgO(100) again by separate layer deposition of Fe and Rh but now in the same UHV system as all characterizations. Thus, the intrinsic properties of the single-crystalline FeRh film are investigated without exposure to air and additional cleaning steps. The in-situ prepared FeRh film also exhibits the metamagnetic phase transition below room temperature as indicated by MOKE. The temperature dependent domain structure obtained by SEMPA reveals that FM domains exist at the surface while the bulk is AFM. In contrast to the ex-situ prepared sample the domain size changes drastically at the transition temperature. This is related to a spin reorientation transition from out-of-plane to in-plane between 350 to 400 K. The results show that the previously observed coexistence of the FM state at the surface and the AFM phase in the bulk is not due to an artifact of capping layers or surface contamination. This coexistence is shown in this work to be an intrinsic property of (100) surfaces of single-crystalline FeRh thin films on MgO(100).English
    FeRh Schichten in Austauschwechselwirkung mit einer magnetisch harten Schicht sind ein vielversprechender Ansatz für die w ̈armeunterstützte magnetische Daten- speicherung (engl.Heat-Assisted Magnetic Recording), mit der die Speicherdichte von Festplatten erheblich erhöht werden kann. Die FeRh Legierung zeigt nahe Raumtemperatur einen Temperatur-induzierten metamagnetischen Phasenübergang von antiferromagnetisch (AFM) zu ferromagnetisch (FM). In einkristallinen FeRh dünnen Filmen mit Deckschicht (z.B. Au, Al oder MgO) können die AFM und FM Phasen im Bereich des Phasenübergangs koexistieren. Mit dem Ziel, die intrinsischen Oberflächeneigenschaften von FeRh zu untersuchen, werden in dieser Arbeit einkristalline FeRh Filme ohne Deckschicht nach zwei verschiedenen Ver- fahren präpariert und ihre magnetischen Eigenschaften untersucht. Im Rahmen der ex-situ Probenpräparation werden zwei 40 nm dicke, einkristalline FeRh Filme auf MgO(100) durch separate Deposition von Fe und Rh und an- schließendes Tempern synthetisiert. R ̈ontgenphotoemissionsspektroskopie (XPS) zeigt direkt nach der Deposition, dass eine Probe einen Überschuss an Fe und die andere Probe einen U ̈berschuss an Rh aufweist. Danach werden die Proben der Umgebungsluft ausgesetzt, um sie in ein weiteres Ultrahochvakuum (UHV) System zu transferieren, in dem die magnetische Charakterisierung durchgeführt werden kann. Anschließend werden die Proben bei 900K angelassen, um Oberflächen- verunreinigungen wie C oder O zu desorbieren. Als Ergebnis ist die Rh-reiche Probe noch minimal C-kontaminiert, und die Fe-reiche Probe ist an der Oberfläche oxidiert. Messungen des magneto-optischen Kerr Effekts (MOKE) zeigen, dass nur die Rh-reiche Probe einen megamagnetischen Phasenübergang aufweist, und zwar unterhalb Raumtemperatur. Die Fe-reiche Probe dagegen ist bei 193 und 293K FM. Rasterelektronenmikroskopie mit Polarisationsanalyse (SEMPA) ergibt, dass die Rh-reiche Oberfläche zwischen 160 und 450K FM ist, während das Volumen des Films nach MOKE unterhalb Raumtemperatur AFM ist. Beim in-situ Präparationsverfahren werden 10 nm dicke FeRh Schichten wiederum durch separate Deposition von Fe und Rh auf MgO(001) synthetisiert, nun aber direkt in dem UHV System, in dem s ̈amtliche Charakterisierungen durchgeführt werden. Deshalb können nun die intrinsischen Eigenschaften ohne Verunreinigung durch Umgebungsluft und ohne zusätzliche Reinigungsschritte untersucht werden. Diese in-situ hergestellten FeRh Filme zeigen gemäß MOKE Messungen einen metamagnetischen Phasenübergang unterhalb Raumtemperatur. Die mittels SEMPA abgebildeten temperaturabhängigen Dom ̈anenstrukturen zeigen, dass FM Dom ̈amen an der Oberfläche existieren, während das Volumen des Films AFM ist. Im Gegensatz zur ex-situ präparierten Probe ändert sich hier im Bereich der meta- magnetischen Übergangstemperatur die Domänengröße drastisch, was auf einen Spinumorientierungsübergang von senkrecht zu parallel zur Probenoberfl ̈ache bei einer Temperatur zwischen 350 bis 400 K zuruckgeführt wird. Die Ergebnisse zeigen, dass die bereits früher beobachtete Koexistenz der FM Phase an der Oberfläche mit der AFM Phase im Volumen kein Artefakt von Deckschichten oder Oberflächenverunreinigungen ist. Die hier nachgewiesene Koexistenz der bei- den magnetischen Phasen ist vielmehr eine intrinsische Eigenschaft der (100) Oberfläche von einkristallinen, dünnen FeRh Film auf MgO(100).German
    Creators:
    CreatorsEmail
    Zhou, Xianzhongx.zhou@fz-juelich.de
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-53860
    Subjects: Physics
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    FeRh, SEMPA, DomainEnglish
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > Forschungszentrum Jülich
    Language: English
    Date: 06 November 2013
    Date Type: Publication
    Date of oral exam: 16 October 2013
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 03 Jan 2014 08:39:25
    Referee
    NameAcademic Title
    Bürgler, DanielPD Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/5386

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