Tailoring the magnetic anisotropy of antiferromagnetic thin films in epitaxial multilayer systems and ferromagnetic / antiferromagnetic nanostructures

Abstract

Tematem badań w niniejszej pracy doktorskiej było oddziaływanie między cienkimi, epitaksjalnymi warstwami antyferromagnetycznymi (AFM) i ferromagnetycznymi (FM), w różnych układach wielowarstwowych. Pierwszym z badanych układów była dwuwarstwowa struktura Ni0(111)/Fe(110), dla której udokumentowano możliwość stabilizacji jednego (wybranego) z dwóch dostępnych stanów magnetycznych o ortogonalnych orientacjach spinów w warstwie AFM NiO. Zaprezentowano odwracalne (i bez użycia zewnętrznego pola magnetycznego) przełączanie między tymi stanami, co osiągnięto poprzez precyzyjne dostrojenie anizotropii magnetycznej (MA) na powierzchni granicznej FM/AFM oraz dzięki wykorzystaniu zjawiska histerezy temperaturowej reorientacji spinowej w połączeniu ze sprzężeniem wymiennym między warstwami FM i AFM. Bezpolowy charakter przełączania magnetycznego w warstwie AFM potencjalnie stwarza nowe możliwości w technologii magnetycznego zapisu typu HAMR (ang. Heat Assisted Magnetic Recording). Poprzez zmianę grubości warstwy Fe, temperatury lub zastosowanie niewielkiego zewnętrznego pola magnetycznego możliwa jest zmiana stanu magnetycznego warstwy AFM NiO. W kolejnym kroku badania skupiły się na możliwości kontroli orientacji momentów magnetycznych w układach dwuwarstwowych Co0(111)/Fe(110). Wyniki pokazują, że efekt polaryzacji wymiennej (ang. exchange bias, EB) obserwuje się również po chłodzeniu próbki bez zewnętrznego pola magnetycznego a charakter EB jest determinowany przez stan magnetyczny warstwy Fe powyżej temperatury Neela CoO. Kierunek zamrożonych spinów AFM CoO na granicy warstw FM i AFM jest określony przez jednoosiową MA warstwy Fe. Wybór konkretnego stanu magnetycznego warstwy Fe przy przekraczaniu temperatury Neela CoO pozwala na kontrolę zarówno osi, jak i kierunku „interfejsowych’ spinów AFM. W ostatnim z badanych układów, studiowano wpływ niemagnetycznej przekładki Au na oddziaływanie między warstwami FM Fe(110) i AFM CoO(111). Wyniki pokazują, że grubość warstw Fe i Au może być dostosowana w celu modyfikacji efektywnej anizotropii warstwy Fe oraz siły międzywarstwowego oddziaływania wymiennego między warstwami Fe i CoO. Anizotropia magnetyczna warstwy FM powyżej temperatury Neela AFM odgrywa kluczową rolę w sterowaniu efektem polaryzacji wymiennej EB i orientacją „interfejsowych "spinów CoO w niskich temperaturach. Ponadto pokazano, że efekt EB może działać jako dodatkowe a nawet dominujące źródło anizotropii magnetycznej warstwy FM, umożliwiając 90-stopniową reorientację jej osi łatwej w porównaniu ze stanem gdy efekt EB nie jest obserwowany. Podsumowując, prezentowane badania dostarczają informacji o złożonych oddziaływaniach pomiędzy warstwami AFM i FM w epitaksjalnych układach wielowarstwowych. Zrozumienie i kontrola tych oddziaływań mogą potencjalnie znaleźć zastosowanie w nowych urządzeniach i technologiach magnetycznych.

(AFM) and ferromagnetic (FM) thin films in various epitaxial multilayer systems is investigated. The first study examines a NiO(l 11)/Fe(l 10) bilayer, where the stabilization of two magnetic states with orthogonal spin orientations in the AFM NiO layer is documented. Field- free, reversible switching between these states is demonstrated, which was achieved by the precise tuning of interface magnetic anisotropy (MA), thermal hysteresis of spin reorientation transition, and interfacial FM/AFM exchange coupling. The potential for field-free switching of AFM magnetic moments is highlighted, potentially opening up new possibilities in heat-assisted magnetic recording technology. Furthermore, it is found that the magnetic moments in NiO can be rotated within the NiO(lll) sample plane, with the MA and spin orientation in NiO being influenced by the underlying FM Fe layer. By varying the Fe thickness, temperature, or applying a small external magnetic field, modification of the magnetic state and anisotropy of the AFM NiO layer is achieved. Next, the investigation delves into exchange bias and interfacial AFM spin orientation in Co0(lll)/Fe(110) bilayers. The results reveal that exchange bias occurs in the zero-field-cooled system and is determined by the in¬plane magnetic state of the Fe sublayer above the Ne el temperature (TN) of CoO. The direction of interfacial frozen AFM CoO spins within the Co0(lll)/Fe(110) sample plane is dictated by the uniaxial MA of the Fe layer. Selecting a specific magnetic state of the Fe sublayer when passing the TN of CoO allows for control over both the axis and direction of interfacial AFM spins within the sample plane. Lastly, the influence of a nonmagnetic Au spacer on the interaction between FM Fe(l 10) and AFM CoO(l 11) sublayers is explored. The findings demonstrate that the thickness of the Fe and Au layers can be adjusted to modify the effective anisotropy of the Fe layer and the strength of the exchange bias interaction between Fe and CoO sublayers. The MA of the FM above the TN of the AFM plays a crucial role in governing exchange bias and interfacial CoO spin orientation at low temperatures. Furthermore, it is shown that exchange bias can act as the dominant MA source for the FM, allowing for a 90- degree rotation of the easy axis compared to the initial, exchange bias-free orientation. Overall, these studies provide insights into the intricate interaction between AFM and FM components of epitaxial multilayer systems. The understanding and control of these interactions can potentially find new applications in novel magnetic devices and technologies.