Μελέτη της σχέσης δομής - μαγνητισμού σε λεπτά υμένια με ακτινοβολία σύγχροτρον και με συμβατικές πειραματικές τεχνικές

Abstract

This work was performed in part in the conventional laboratories of the Materials Science Department and the Lab of High Tech Materials, University of Patras and in part at the European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) Grenoble, France. The target of the Thesis is to correlate structure and magnetism in magnetic thin films.At ESRF polycrystalline and amorphous thin films of similar composition were probed by x-ray magnetic circular dichroism - XMCD. For the first time the induced magnetic moment of Zr in amorphous and crystalline magnetic materials was probed. The same holds for Y in amorphous thin films. The spin and orbital magnetic moment contributions were disentangled. It was found, surprisingly, that when Zr or Y is in crystalline environment, its spin and orbital magnetic moments are antiparallel, but in amorphous samples they become parallel. The latter is an apparent violation of Hund’s third rule in matter. The effect was attributed to changes in coordination number and interatomic distances. Moreover, the induced magnetic moments of Pd and Pt were studied in certain magnetic thin films and a review was done comparing those results to literature in order the mechanisms, which make magnetic thin films and multilayers with Pd and Pt important in magneto-optical recording, to be elucidated.At lab the main target was to correlate texture and magnetic anisotropy in Co- and Ni-based thin films with fcc structure. Magnetic hysteresis loops were recorded with the field in- and out-of plane with a Kerr magnetometer at room temperature. It was demonstrated that combination of residual strain (stress) with certain texture can give rise to perpendicular magnetic anisotropy in magnetic thin films. Perpendicular anisotropy is crucial for nanodevices and magneto-optical hard discs of computers. When perpendicular anisotropy appears, then one may record impressive images of magnetic domains by magnetic force microsopy. After all, the mechanism of correlation between structure-texture and magnetic anisotropy in polycrystalline systems was elucidated.

Στα πλαίσια της διδακτορικής αυτής διατριβής μελετήθηκε η σχέση δομής και μαγνητισμού σε λεπτά μαγνητικά υμένια. Ένα μέρος της διατριβής έγινε στο εργαστήριο και ένα στο European Synchrotron Radiation Facility. Στο Σύγχροτρον μελετήθηκαν με την τεχνική του κυκλικού μαγνητικού διχρωϊσμού ακτίνων Χ (x-ray magnetic circular dichroism – XMCD) άμορφα και κρυσταλλικά υμένια με παρόμοια σύνθεση. Αφενός, για πρώτη φορά μετρήθηκε η επαγόμενη μαγνητική ροπή στο ζιρκόνιο και το ύττριο σε άμορφα και κρυσταλλικά μαγνητικά υμένια και διαχωρίστηκαν οι μαγνητικές ροπές σπιν και τροχιάς. Αφετέρου, βρέθηκε το εντυπωσιακό φαινόμενο της αλλαγής του σχετικού προσανατολισμού της μαγνητικής ροπής σπιν και τροχιάς, οι οποίες από αντιπαράλληλες στα κρυσταλλικά υμένια γίνονται παράλληλες στα άμορφα. Έγινε κατανοητό πως κάτι τέτοιο οφείλεται στη διαφορά στον αριθμό πρώτων γειτόνων και στις ενδοατομικές αποστάσεις. Ο παράλληλος προσανατολισμός των μαγνητικών ροπών σπιν και τροχιάς σε στοιχεία με λιγότερο από μισογεμάτη ζώνη d αποτελεί μια διαφαινόμενη παραβίαση του τρίτου κανόνα του Hund στην ύλη. Τέλος, έγινε μελέτη ορισμένων μαγνητικών υμενίων με παλλάδιο και πλατίνα, υμένια με ενδιαφέρον στη μαγνητική και μαγνητο-οπτική εγγραφή πληροφορίας, ώστε να κατανοηθούν καλύτερα οι μηχανισμοί που τα καθιστούν ενδιαφέροντα τεχνολογικά.Επίσης, κύρια στο εργαστήριο, μελετήθηκε η σχέση υφής και μαγνητικής ανισοτροπίας σε υμένια με βάση το κοβάλτιο και το νικέλιο σε fcc δομή. Kαταγράφηκαν βρόχοι μαγνητικής υστέρησης με ένα Kerr μαγνητόμετρο σε θερμοκρασία δωματίου. Έγινε φανερό πως οι παραμένουσες τάσεις σε συνδυασμό με την κατάλληλη υφή μπορεί να οδηγήσουν στην εμφάνιση κάθετης ανισοτροπίας σε πολυκρυσταλλικά υμένια. Η κάθετη μαγνητική ανισοτροπία είναι μια ιδιότητα με μεγάλη σημασία στην τεχνολογική αξιοποίηση των μαγνητικών υμενίων σε νανοδιατάξεις και μαγνητο-οπτικούς δίσκους,. Στην περίπτωση αυτή εντυπωσιακές εικόνες μαγνητικών περιοχών με σπιν πάνω και κάτω σε σχέση με το επίπεδο του υμενίου καταγράφηκαν με το μικροσκόπιο σάρωσης ακίδας. Έγινε εμβάθυνση στα φαινόμενα σχέσης μαγνητισμού και υφής σε πολυκρυσταλλικά συστήματα.