Exchange bias in magnetic thin films and nanoparticles : study of spin glass, spin dynamics and anisotropy

Bilal Janjua, M.; Kuch, Wolfgang; Morgenstern, Markus; Güntherodt, Gernot

doi:HT019312401

Exchange bias in magnetic thin films and nanoparticles : study of spin glass, spin dynamics and anisotropy = Exchange bias in magnetischen dünnen Schichten und Nanopatikeln : Untersuchung von Spinnglas, Spindynamik und Anisotropie

Bilal Janjua, M.

2016 & 2017

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Master of Philosophy in Physics Muhammad Bilal Janjua

ImpressumAachen 2016

Umfang1 Online-Ressource (xi, 187 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2016

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2017

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Güntherodt, Gernot (Thesis advisor)^RWTH* ; Morgenstern, Markus (Thesis advisor)^RWTH* ; Kuch, Wolfgang (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2016-04-29

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2017-04005
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/688752/files/688752.pdf
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/688752/files/688752.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Die Spin-Ventil-Struktur wird in Anwendungen wie Festplattenlaufwerken, Magnetsensoren sowie magnetoresistiven Arbeitsspeichern genutzt, und ist somit Bestandteil der aktuellen Forschung. Materialien, mit senkrechter magnetischer Anisotropie sind für senkrechte magnetische Aufzeichnung sowie wärmeunterstützter Magnetaufzeichnung (heat-assisted magnetic recording) von große Interesse.Im Gegensatz zu magnetischen dünnen Schichten, liefern magnetische Nanopartikel einen großen Beitrag zu neu aufkommenden Technologien, wie zum Beispiel, Drug Delivery, Tagging und Magnetresonanztomografie.Das Ziel dieser Arbeit ist, das magnetische Verhalten von magnetischen dünne Schichten sowie Nanopartikel zu erforschen. Hierbei werden Exchange Bias (EB), senkrechte magnetische Anisotropie (perpendicular magnetic anisotropy: PMA), Spin-Glas (SG) Phasen, Spin Dynamik sowie magnetische Wechselwirkungen in den magnetischen dünne Schichten und Nanopartikel untersucht. Darüber hinaus beinhaltet diese Arbeit einige neue magnetische Verhaltensweisen, von der sich, auch nach sorfälltiger Literaturstudie, keine Befunde finden ließen. Die PMA wird in Dünnschichten von CoPd-Legierungen untersucht. Senkrechter EB wird durch die Verwendung von IrMn als Antiferromagnet erzeugt. Ein Übergang in den EB wird bei niedrigen Temperaturen beobachtet. Hierbei wird das ebene (In-plane:IP) EB-Feld größer als das EB-Feld, das aus der Ebene herausragt (out-of-plane:OP). Es wurde festgestellt, dass mit abnehmender Temperatur es einen Übergang in der Spin Struktur der IrMn (111) Schicht gibt, der mit dem Übergang von 3Q (begünstigt OP Spin-Komponente) hin zu 2Q (begünstigt IP Spin-Komponente) des Bulk-Materials verbunden ist. Dieser Übergang ist für die Erhöhung der IP EB bei niedrigen Temperaturen verantwortlich und wurde bisher in der Literatur nicht berichtet. Ein Spin Reorientierungsübergang von OP zu IP (bei höheren Temperaturen) wird auch in der CoPd-Legierung beobachtet, welcher jedoch zu schwach ist, um den Spin-Struktur Übergang von IrMn zu stören, der die Temperaturabhängigkeit des EB dominiert. Das interessanteste Ergebnis ist ein Anstieg der PMA von CoPd / IrMn mit Abnahme der Dicke der CoPd-Schicht, welches im Gegensatz zur reinen CoPd-Legierung steht. Die Bulk 3Q Spin Struktur von IrMn und der Winkel zwischen den magnetischen Momente von CoPd und IrMn an der Grenzschicht sind die Gründe für diese Diskrepanz.Memory-Effekte, Alterungs-Efekte, Morin Übergänge sowie EB-Effekt werden an agglomerierten Hämatit-Nanopartikel unterschiedlicher Formen von kugelförmigen zu spindelförmig untersucht. Die Superspinglas (SSG)- und oberflächen SG-Phasen werden in diesen EB-Feld erzeugenden Nanopartikel gefunden. Hierbei zeigt sich das interessante Verhalt des Vorzeichenwechsels im EB-Feld zusammen mit einem Morin-Übergang. Die Drehung der Fe-Ionen im Kern ändert die Austauschwechselwirkung an der Grenzfläche zu positiven EB-Feldern. Der Morin-Übergang ist verringert mit Erhöhung des Seitenverhältnises von Nanopartikeln, was zu gesteigerten Gitterspannung und Oberflächenfehlern führt. Um eine Agglomeration zu vermeiden, werden die Nanopartikel mit einer Siliciumdioxid-Beschichtung versehen. Die Silica-Beschichtung erhöht die Oberflächenunordnung, verringert die Magnetisierung und verringert dern Morin Übergang. Im Vergleich zu den unbeschichteten Nanopartikeln ändert sich das Vorzeichen des EB-Feldes zum negativen hin. Co1-xMgxFe2O4 Nanopartikel werden im quasi-freien Zustand und semi-komprimierter Form untersucht. In beide Zustandsformen weisen die Nanopartikel sowohl spontane Exchange Bias (SEB) sowie herkömmlichen Exchange Bias (conventional EB: CEB) auf. Im quasi-freien Zustand ist der SEB größer als der CEB, während der SEB bei der semi-komprimierter Form schwächer als der CEB ist. Der anfängliche Magnetisierungszustand hat starken Einfluss auf das SEB, wenn starke Zufälligkeit zu dem Volumenanteil der SG-Phase beiträgt. Die Frustration und reibungslose Bewegung von Nanopartikeln fördert SEB in quasi-freien Zustand von Nanopartikeln. Die metastabile Domänenzustände werden im System aufgrund von Spannung und Verdünnung entwickelt, welche durch die Drehung des ferromagnetischen Kernmomente mit zunehmender Temperatur gestört werden.Die temperaturangetriebe Vorzeichenumkehr in Fe/Cr-Doppelschichten werden untersucht und durch die Bildung von Grenzschichtvermischungen erläutert. Die FeCr-Legierung an der Grenzschicht wandelt sich beim Abkühlen in die SG-Phase. Bei niedrigen Temperaturen führt die ferromagnetischen Wechselwirkungen zwischen gefrorenen Fe-Cluster in der Legierung und benachbarten Fe-Schicht zu gesteigerten negativen EB Feld. Die Cr-reichen Legierung, begünstigt reentrantes SG vor einem antiferromagnetischen Phasenübergang in Legierung mit Erhöhung der Temperatur. Dieser Phasenübergang ändert die ferromagnetische Kopplung hin zu antiferromagnetischer Kopplung zwischen unkompensierten magnetischem Momenten in Cr und Fe-Schichten an der Grenzfläche und führt zu positiven EB.Die neuen Ergebnisse in den EB in verschiedene Magnetsystemen fördert sicherlich weitere Untersuchungen an Proben mit geänderter Schichtdicke von IrMn in CoPd/IrMn Systeme sowie geänderte Wechselwirkungen zwischen den Partikeln.

The spin valve structure has important applications in the hard disk drives, magnetic sensors, magnetoresistive random-access memory, etc. and consequently is actively researched. The materials having perpendicular magnetic anisotropy are in high demand for perpendicular magnetic recording and heat-assisted magnetic recording. Other than the magnetic thin films, the magnetic nanoparticles have strong contribution in the emerging technologies, such as, drug delivery, tagging or labeling of the desired biological entity and magnetic resonance imaging. The goal of this thesis is to explore different magnetic behaviours in the magnetic thin films and nanoparticles, i.e., exchange bias (EB), perpendicular magnetic anisotropy (PMA), spin glass (SG) phases, spin dynamics, magnetic interactions in the magnetic thin films and nanoparticles. Moreover, this thesis includes some new magnetic behaviours which have not been yet reported after the acreful literature survey. The PMA is studied in the thin films of CoPd alloy. Perpendicular EB is developed by using IrMn as an antiferromagnet. A transition in the EB is observed at low temperatures, where the in-plane (IP) EB field becomes larger than the out-of-plane (OP) EB field. It is found that with decreasing temperature there is a spin structure transition in the IrMn (111) layer related to a 3Q (favors OP spins component) to 2Q transition (favors IP spins component) in the bulk. This transition is responsible for the increase in the IP EB at low temperatures and has not been reported before. A spin reorientation transition from OP to IP (at higher temperatures) is also observed in the CoPd alloy, but is too weak to perturb the spin structure transition of IrMn, which dominates the temperature dependence of EB. The most interesting result is an increase in PMA of CoPd/IrMn with decreasing the thickness of CoPd layer, which is contrary to bare CoPd alloy. The bulk 3Q spin structure of IrMn and the angle between the CoPd and IrMn moments at the interface are the reasons of this discrepancy. Memory effect, aging, Morin transition and EB effect are studied in the agglomerated hematite nanoparticles of different shapes from spherical to spindle. The super spin glass (SSG) and surface SG phases are found in these nanoparticles generating EB field. The interesting behaviour is the sign change in the EB field along with Morin transition, where the rotation of Fe ions in the core changes the exchange coupling at interface resulting in positive EB field. Morin transition is diminished with increasing the aspect ratio of nanoparticles due to the enhanced lattice strain and surface defects. In order to eliminate agglomeration, silica coating is used around the nanoparticles. The silica coating enhances the surface disorder, decreases magnetization and depletes Morin transition. The sign of the EB field is changed to negative as compared to uncoated ones. Co1-xMgxFe2O4 nanoparticles are studied in quasi-free state and semi-compressed form. Spontaneous exchange bias (SEB) is observed along with conventional exchange bias (CEB) in the both states of nanoparticles. In the quasi-free state of nanoparticles, SEB is larger than CEB, while SEB becomes weak in semi-compressed form. The initial magnetic state has strong influence on SEB, where strong randomness contributes to the volume fraction of SG phase. The frustration and smooth movement of nanoparticles enhance SEB in quasi-free state of nanoparticles. The metastable domain states are developed in the system due to strain and dilution which perturbed by the rotation of the ferrimagnetic core moments with increasing temperature.The temperature driven sign reversal in Fe/Cr bilayers is studied and explained by the formation of interface alloying. The FeCr alloy at the interface transforms into SG phase during cooling. At low temperatures, the ferromagnetic interactions between frozen Fe clusters in alloy and adjacent Fe layer, results into enhanced negative EB field. The Cr rich alloy favours re-entrant SG to antiferromagnetic phase transition in alloy with increase in temperature. This phase transition changes the ferromagnetic coupling to antiferromagnetic between uncompensated Cr moments and Fe layer at interface resulting into positive EB.The novel results in the EB in different magnetic systems certainly encourage further probe into it by changing the thickness of IrMn layer for CoPd/IrMn system and the interparticle interactions.

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