Exchange bias of metallic ferro-, antiferromagnetic bilayers : effects of structure, dilution, anisotropy and temperature

Fecioru-Morariu, Marian; Güntherodt, Gernot

doi:28638

Exchange bias of metallic ferro-, antiferromagnetic bilayers : effects of structure, dilution, anisotropy and temperature = Exchange-bias-Effekt in metallischen ferro-/antiferromagnetischen dünnen Schichten : Auswirkung von Struktur, Verdünnung, Anisotropie und Temperatur

Fecioru-Morariu, Marian (Author)

2008

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Marian Fecioru-Morariu

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2008

UmfangIV, 201 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2008

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Güntherodt, Gernot (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2008-07-04

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-24896
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/50225/files/Fecioru-Morariu_Marian.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Austauschwechselwirkung (Genormte SW) ; Ferromagnetikum (Genormte SW) ; Antiferromagnetikum (Genormte SW) ; Riesenmagnetowiderstand (Genormte SW) ; Physik (frei) ; Exchange Bias (frei) ; Ferromagnet (frei) ; Amtiferromagnet (frei) ; Giant Magnetoresistance (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530
pacs: 75.30.Et * 75.40.Mg * 75.50.Ee * 75.70.-i

Kurzfassung
In dieser Arbeit werden die Auswirkungen der Struktur, der Anisotropie, der Temperatur und der Verdünnung auf den Exchange-Bias-Effekt in dünnen metallischen ferromagnetischen/antiferromagnetischen (FM/AFM)-Schichten dargestellt und erklärt. Der Exchange-Bias-Effekt tritt an der Grenzfläche zwischen einem FM und einem AFM auf, wenn der FM/AFM-Bilayer in einem äußeren Magnetfeld gewachsen wird oder dieser unter der Néel-Temperatur abgekühlt wird. Der Effekt manifestiert sich in einer verschobenen und verbreiterten Hysteresekurve des FM/AFM-Bilayers entlang des Magnetfeldes. Das ist die Folge der unidirektionalen Anisotropie, welche durch die Austauschkopplung an der FM/AFM-Grenzschicht in der FM-Schicht induziert wird. Trotz intensiver Forschung in diesem Gebiet sind viele Aspekte des Exchange-Bias noch nicht vollständig verstanden. Dies bezieht sich auch auf die Auswirkung der Struktur, der Verdünnung mit nichtmagnetische Defekte, der Anisotropie und der Temperatur auf den Exchange-Bias von metallischen FM/AFM-Bilayern. Der Exchange-Bias wird in vielen Anwendungen, wie etwa Spin-Valves, Leseköpfen oder magnetischen Arbeitsspeichern (MRAMs) zum „Pinnen” der Magnetisierung einer FM-Schicht in einer bestimmten Richtung eingesetzt. Diese Arbeit ist in acht Kapiteln aufgeteilt. Eine Einführung gibt Kapitel 1. Kapitel 2 gibt einen Überblick über bestehende Exchange-Bias-Theorien, von der Entdeckung bis zum heutigen Modell, wobei der Schwerpunkt auf dem Domain-State-Modell liegt. Eine kurze Beschreibung einiger genutzter experimenteller Techniken folgt in Kapitel 3. Der zentrale Teil der Arbeit, Kapitel 4, beschäftigt sich mit dem Domain-State Modell für metallische FM/AFM-Bilayers, sowohl aus experimenteller Sicht, wie auch unter Berücksichtigung von Monte-Carlo-Simulationen. Experimentell wurde das Domain-State-Modell mit zwei verschiedenen metallischen FM/AFM-Systeme getestet: NiFe/FeMn und CoFe/IrMn. Die metallischen AFM FeMn und IrMn zeigen kleine und mittlere magnetische Anisotropie, polykristalline Struktur und Néel-Temperaturen über Raumtemperatur. Gitterangepasstes Cu wurde für IrMn und FeMn als Verdünnungsmaterial genutzt. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die Anwesenheit von Cu-Verdünnung innerhalb des AFM-Volumens zur Domänenbildung und zur Erhöhung des Exchange-Bias-Feldes führen. Dies ist in Übereinstimmung mit dem zunächst angenommenen Domain-State-Modell für den hoch anisotropen und epitaktischen AFM CoO. Die thermoremanente Magnetisierung des verdünnten AFM (ohne Kontakt zum FM) zeigte qualitativ ähnliche Verdünnungs- und Temperaturabhängigkeit zu den Exchange-Bias-Feldern des FM/AFM-Bilayers. Diese Beobachtungen sind auch in Übereinstimmung mit dem Domain-State-Modell und zeigen, dass die „Domain-State”-Magnetisierung als Ursprung des Exchange-Bias in diesen Systemen zu berücksichtigen ist. Das zunächst angenommene Domain-State-Modell wurde erweitert, um die Exchange-Bias-Eigenschaften von metallischen, polykristallinen AFM mit kleinen und mittleren Anisotropien, wie FeMn und IrMn, zu beschreiben. Zu diesem Zweck wurden auf der Grundlage eines Heisenberg-Typ AFM, welcher die dreidimensionale Rotation der magnetischen Momente berücksichtigt, Monte-Carlo-Simulationen durchgeführt. Die granulare Struktur des AFM, die Energiebarriere beim Umdrehen der AFM-Momente und die thermische Relaxation im AFM wurden in dem Modell berücksichtigt. Der Einfluss von verschiedenen Parametern, wie etwa Temperatur, Verdünnung, AFM-Korngröße, etc. auf den Exchange-Bias und die thermoremanente Magnetisierung wurde mit dem angenommenen Domain-State-Modell überprüft. Es wurde eine gute Übereinstimmung zwischen den experimentellen Daten und den Monte-Carlo-Simulationen gefunden, was zeigt, dass das angenommene Domain-State-Modell erfolgreich auf metallische AFM mit schwacher und mittlerer Anisotropie angewendet werden kann. In Kapitel 5 werden die thermisch aktivierte Umkehr und die Blocking-Temperaturverteilung in CoFe/IrMn Bilayern untersucht. Es wird gezeigt, dass die gemessene Blocking-Temperaturverteilung bei 5 K hauptsächlich durch den Beitrag der isolierten, unkompensierten Momente im AFM gegeben ist. Dies ist in Übereinstimmung mit den Monte-Carlo-Simulationen aus Kapitel 4, wo eine durchschnittliche Blocking-Temperatur von etwa 10-2 K für die isolierten, unkompensierten Momente im AFM IrMn angenommen wurde. Der Einfluss der AFM-Korngröße auf die Blocking Temperaturverteilung wird ebenfalls untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass größere kristalline FM/AFM-Körner zu einer höheren mittleren Blocking-Temperatur und eine zu höheren Temperaturen verschobenen Blocking-Temperaturverteilung führt, als bei kleineren FM/AFM-Körnern. Eine neuartige Studie des „Training”-Effektes, sowie der Temperaturabhängigkeit des Exchange-Bias Feldes und der Koerzitivität in epitaktischen und polykristallinen, dünnen metallischen NiFe/FeMn-Schichten wird in Kapitel 6 präsentiert. Es wird gezeigt, dass der Training-Effekt von der kristallinen Struktur und der epitaktischen Qualität des AFM FeMn abhängt. Er ist größer für polykristalline Proben und nimmt mit ansteigender Wachstumsqualität der epitaktischen Bilayer in der Stärke ab. Die vertikale Verschiebung der Hysteresekurve ( häufig als "pinned” AFM-Magnetisierung bezeichnet) wird benutzt, um den Anteil der gepinnten, unkompensierten Momente pro AFM-Monolayer zu bestimmen. Es konnte eine sehr gute, qualitative Übereinstimmung zwischen der Abnahme des Anteils der gepinnten, unkompensierten Momente eines AFM-Monolayers und der Abnahme des Exchange-Bias-Feldes als Funktion der Hysteresezyklen gefunden werden. Der Maximalwert des Anteils der gepinnten, unkompensierten Momente des AFM FeMn-Monolayers (2-3%) ist in guter Übereinstimmung mit den in der Literatur bestimmten Werten anderer AFM. Darüber hinaus hängt der Maximalwert des Exchange-Bias-Feldes und des Koerzitivfeldes stark von der kristallinen Struktur und der epitaktischen Qualität der Bilayer ab. In Kapitel 7 wird die Austauschkopplung zwischen einem amorphen FM (CoFeB) und einem kristallinen AFM (IrMn) diskutiert. Wenn der AFM IrMn auf dem FM CoFeB deponiert wird, ist keine Austauschkopplung zu beobachten. Durch eine dünne, kristalline FM-Lage aus NiFe zwischen dem amorphen CoFeB und dem IrMn kann ein Exchange-Bias beobachtet werden, welcher abhängig von der Dicke der NiFe-Schicht ist. Desweiteren wird eine Erhöhung der Blocking-Temperatur von CoFeB/NiFe/IrMn-Trilayern bei ansteigender Dicke der NiFe-Schicht beobachtet. Röntgendiffraktometrie-Messungen zeigen, dass diese Effekte direkt mit der (111) Textur in der AFM Phase der IrMn-Schicht korreliert sind, die sich schnell mit steigender Dicke der NiFe-Schicht ausbildet. Durch eine dünne, nicht-magnetische Zwischenschicht aus Cu oder Ru an der NiFe/IrMn Oberfläche kann die Austauschkopplung und das Koerzitivfeld des Exchange-Bias-Systems verkleinert werden. Das Exchange-Bias-Feld verschwindet für nicht-magnetische Zwischenschichtdicken größer als 1 nm, was zeigt, dass der Exchange-Bias eine kurzreichweitige Austauschwechselwirkung darstellt. Weiterhin wird gezeigt, dass die Blocking-Temperatur mit steigender Dicke der nicht-magnetischen Zwischenschicht abnimmt. Das über Austauschwechselwirkung gekoppelte Trilayer-System CoFeB/NiFe/IrMn wird als eine weitere Quelle für Anisotropie in Riesenmagnetwiderstand-Sensoren und magnetischen Tunnelkontakten benutzt, indem man die Anisotropie in eine orthogonale Richtung zur gepinnten FM-Schicht ausrichtet. Der Widerstand eines solchen Systems steigt linear mit dem äußeren Feld in einem Bereich von 200 Oe. Diese Charakteristik könnte förderlich für verschiedene Anwendungen sein, in denen eine lineare Widerstandscharakteristik mit dem äußeren Feld benötigt wird. In Kapitel 8 wird eine Zusammenfassung dieser Arbeit gegeben, sowie einige Anregungen für weitere Untersuchungen vorgeschlagen.

This thesis presents and explains the effect of structure, dilution, anisotropy and temperature on the exchange bias effect in metallic ferromagnetic/antiferromagnetic (FM/AFM) thin films. The exchange bias effect appears at the interface between a FM and an AFM when the FM/AFM bilayer is either deposited or cooled below the Néel temperature of the AFM, in the presence of a magnetic field. The effect manifests itself in a shifted and broadened hysteresis loop of the FM/AFM bilayer along the field axis direction. This is the consequence of the unidirectional anisotropy induced in the FM layer which results from the exchange coupling across the FM/AFM interface. Despite intensive research activities in this field, many aspects of exchange bias are not yet fully understood. This refers also to the role of structure, dilution by nonmagnetic defects, anisotropy and temperature on the exchange bias of metallic FM/AFM bilayers. However, the exchange bias is used in many applications such as spin valves, read heads, magnetic random access memories, etc, for pinning the magnetization of a FM layer in a certain direction. The thesis is organized in 8 chapters. First, an introduction is given in chapter 1. This is followed in chapter 2 by a review of the existing exchange bias theories from the discovery to the current models, with the emphasis on the domain state model. A brief description of some of the experimental techniques that were used is given in chapter 3. The central part of the thesis, chapter 4, addresses the domain state model for metallic FM/AFM bilayers, both from an experimental and Monte Carlo simulation point of view. Experimentally, we tested the domain state model for two metallic FM/AFM systems: NiFe/FeMn and CoFe/IrMn. The metallic AFMs FeMn and IrMn have low and intermediate magnetic anisotropy, respectively, polycrystalline structure, and Néel temperatures above room temperature. Lattice matched Cu dilution was used both for FeMn and IrMn. Our experimental results showed that the presence of Cu dilution throughout the volume of the AFM gives rise to a domain state and to an enhanced exchange bias field. This is in agreement with the initially proposed domain state model for high-anisotropy and epitaxial AFM CoO. The thermoremanent magnetization of the diluted AFM (without FM in contact) showed qualitatively similar dilution and temperature dependencies to those of the exchange bias field of the FM/AFM bilayers. These observations are also in agreement with the domain state model and indicate that the domain state magnetization is at the origin of exchange bias in the systems under consideration. The initially proposed domain state model was extended for describing the EB properties of metallic, polycrystalline AFMs with low and intermediate anisotropies, such as FeMn and IrMn. For this purpose Monte Carlo simulations were performed using a Heisenberg type AFM which accounts for the three-dimensional rotation of the magnetic moments. The granular structure of the AFM, the energy barriers upon reversal of the AFM moments and the thermal relaxation in the AFM were included in the model. The influence of various parameters, such as temperature, dilution, AFM grain size, etc. on exchange bias and thermoremanent magnetization was tested within the adapted domain state model. We found a good agreement between the experimental data and the Monte Carlo simulations which suggests that the adapted domain state model can be successfully applied to metallic, low and intermediate anisotropy AFMs. In chapter 5 the thermally activated reversal and the blocking temperature distribution in CoFe/IrMn bilayers are investigated. It is shown that the blocking temperature distribution measured at 5 K is mainly given by the contribution of the isolated uncompensated moments in the AFM. This is in agreement with our Monte Carlo simulations from chapter 4 where an average blocking temperature of about 10-2 K was estimated for the isolated uncompensated moments in the AFM IrMn. The influence of the AFM grain size on the blocking temperature distribution is also investigated. We found that larger crystalline FM/AFM grains give rise to a larger median blocking temperature and to a shifted blocking temperature distribution towards higher temperatures as compared to that of smaller FM/AFM grains. A novel study of the training effect and the temperature dependence of the exchange bias field and coercivity in epitaxial and polycrystalline NiFe/FeMn metallic thin films is presented in chapter 6 of this thesis. We show that the training effect depends on the crystalline structure and epitaxial quality of the AFM FeMn, being larger for the polycrystalline sample and decreasing in magnitude with increasing growth quality of the epitaxial bilayers. The vertical shift of the hysteresis loop (also referred to as the pinned AFM magnetization) is used to estimate the fraction of pinned uncompensated moments per AFM monolayer. We find a very good qualitative agreement between the decrease of the fraction of pinned uncompensated moments of an AFM monolayer and the decrease of the exchange bias field as a function of the hysteresis cycle number. Our estimated maximum values of the fraction of pinned uncompensated moments of an AFM FeMn monolayer (2-3%) are in a good agreement with those determined in literature for other AFMs. Moreover, the magnitude of the exchange bias field and of the coercive field depends strongly on the crystalline structure and epitaxial quality of the bilayers. In chapter 7 we discuss the exchange coupling between an amorphous FM (CoFeB) and a crystalline AFM (IrMn). We show that when the AFM IrMn is deposited on top of the FM CoFeB no exchange coupling appears. On insertion of a thin crystalline FM layer of NiFe between the amorphous CoFeB and the IrMn, exchange bias appears and it is dependent on the thickness of the NiFe layer. Moreover, an enhancement in the blocking temperature of the CoFeB/NiFe/IrMn trilayers is observed on increasing the thickness of the NiFe layer. X-Ray diffractometry measurements show that these effects are directly correlated with the (111) texture in the AFM phase of the IrMn layer, which develops progressively with increasing thickness of the NiFe layer. A thin nonmagnetic spacer layer of Cu or Ru at the NiFe/IrMn interface is found to reduce the exchange coupling and the coercive field of the exchange biased system. The exchange bias field vanishes for nonmagnetic spacers thicker than about 1 nm, indicating that exchange bias is a short-range exchange interaction. We also show and explain the decrease of blocking temperature with increasing thickness of the nonmagnetic spacer. The exchange coupled trilayer CoFeB/NiFe/IrMn is used for inducing an additional source of anisotropy in giant magnetoresistance sensors and magnetic tunnel junctions, by setting its anisotropy in an orthogonal direction with respect to that of the pinned FM layer. We show that the resistance of such a device depends linearly with the external field over a range of more than 200 Oe. This characteristic could be beneficial in different applications which require a linear resistance dependence on the external magnetic field. In chapter 8 the main conclusions of the thesis and some suggestions for further work are presented.

Fulltext:
PDF