Kurzfassung
Die Entdeckung des GMR-effekts (engl. giant magneto resistance, deutsch "Riesenmagnetowiderstand") in magnetischen Vielfachschichten und seine industrielle Anwendung in Magnetfeldleseköpfen initiierte einen Prozess stetiger Erhöhung der Festplattenspeicherdichte und ihrer Auslesegeschwindigkeit. Doch dieser Prozess kann durch konventionelle, elektrisch leitendende Vielfachschichtsysteme nicht beliebig fortgesetzt werden, da in diesen bereits heutezutage parasitäte Wirbelsträme eine signifikante Verschlechterung des Signal-Rausch-Verhältnisses verursachen. Neue Materialien werden gesucht, um diese Problemstellung zu lösen. Ein Ansatz fundiert auf der Verwendung von ultradünnen Oxidschichten in einer metallischen Eisenumgebung/matrix, um die elektrische Leitfähigkeit abzusenken aber gleichzeitig eine hohe Nettomagnetisierung zu erhalten. Dieses Prinzip kann relativ einfach durch die abwechselnde Beschichtung von Metallschichten und ihre kontrollierte Oxidation realisiert werden. Obwohl die Funktionalität einer solchen magnetischen Schichtstruktur vor einiger Zeit gezeigt werden konnte wurde ihr allgemeines Magnetisierungs- bzw. magnetisches Kopplungsverhalten nicht genauer erforscht.
Als wesentliches Ziel dieser Arbeit galt es, ein besseres Verständnis über die allgemeine magnetisches Struktur in einer solchen Eisen/native-Eisenoxid Vielschichtstruktur zu erlangen. Röntgen- und Neutronenstreuexperimente wurden diesbezüglich ex-situ und in-situ durchgeführt, um die magnetische Struktur und ihr feldabhängiges Verhalten zu bestimmen. Als ein erstes, wesentliches Ergebnis konnte eine nicht kollineare, magnetische Kopplung der Metallschichten bestimmt werden, die durch eine antiferromagnetische Struktur der Oxidschichten vermittelt wird. Des weiteren offenbarte die Kombination beider Messmethoden das magnetische Tiefenprofil des Systems und ein resultierendes magnetisches Moment des eingebetteten Eisenoxides.
Die chemische und die magnetische Struktur des eingebetteten Oxides wurde mittels einer kombinierten Studie aus in-situ Röntgenabsorptionsspektroskopie und (in-situ) Kernresonanzstreuung bestimmt. Diese ergab, dass die kontrollierte Oxidation einer Eisenschicht ein Gemisch aus unterschiedlichen Oxidphasen erzeugt, das zusätzlich 10% bis 15% Einschlüsse aus metallischem Eisen beinhaltet. Die Auftragung einer dünnen Schicht aus metallischem Eisen reduziert nun die komplette Oxidschicht zu einphasigem, FeO-artigem Oxid.
Diese experimentelle Beobachtung führt zu einem umfassenden Bild über die Struktur und die magnetischen Eigenschaften des eingebetten Oxides und zeigt damit einen Weg um die magnetischen Eigenschaften der Eisen/native-Eisenoxid Vielschichtstrukturen zu variieren beziehungsweise zu optimieren. Die Ergebnisse dieser Arbeit können nicht als abgeschlossen gelten und sollten weitere Untersuchungen dieser Klasse von noch relativ unerforschten Systemen nach sich ziehen.
Since the discovery of the giant magnetoresistance (GMR) effect in metallic magnetic multilayers and its industrial application in magnetic read heads, the data storage density and reading speed of hard disks steadily increased. But now the point is reached where conventional conductive multilayer structures suffer from parasitic eddy currents which decrease the signal to noise ratio of the system. To tackle this problem, new classes of materials have to be studied. One approach is to introduce ultra thin oxide layers in a metallic iron structure to reduce the conductivity while keeping a high net magnetization. This can be achieved by alternating metal deposition and controlled oxidation to produce metal/metal-oxide multilayers. However, the magnetic structure that forms in such multilayer is still rather unexplored.
The aim of this work was to achieve a better understanding of the magnetic structure that forms in such iron/native-oxide multilayers. For that purpose, x-ray and neutron scattering experiments were carried out to determine the magnetic structure and its evolution in ex-situ and in-situ experiments, respectively. It was found that a non-collinear magnetic coupling appears between the metal layers, which is mediated by the antiferromagnetically ordered oxide layer in between. The use of isotope sensitive scattering techniques (namely nuclear resonant scattering and neutron reflectometry) allowed to resolve the magnetic depth profile of the system, showing that the buried oxide carries a net magnetic moment.
The chemical and magnetic structure of the buried oxide was studied by in-situ x-ray absorption spectroscopy and nuclear resonant scattering. After oxidation, the layer exhibits a mixture of different oxide phases and incorporates 10 to 15% of Fe with metallic character. Upon deposition of only one atomic layer of metallic Fe, the layer reduces to a single phase FeO-like oxide. This structural change does not lead to a magnetically ordered oxide. Surprisingly, it is observed that the magnetism in the oxide is stabilized only once the layer is covered by several nanometer of Fe.
These findings lead to a comprehensive picture of the structure and magnetic properties of the buried oxide, paving the way for tailored magnetic properties in Fe/native-oxide systems. The results presented in this work lay the foundation for further studies of this relatively unexplored class of systems.