Faculté des sciences de base SB, Section de physique, Institut de physique des nanostructures IPN

Investigation and modification of the magnetism of epitaxial Fe structures

Repetto, Diego ; Kern, Klaus (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2005 ; no 3388.

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    Summary
    In this thesis, the magnetic and structural properties of layered epitaxial film systems and clusters are presented. A main achievement is the investigation of the direct correlation between magnetism and structural or morphological details of ultrathin films. For this purpose, the film structure has been accessed directly by means of surface science methods. The effect of structural changes on the magnetism were observed in-situ by magneto-optical techniques. First, epitaxial Fe films grown at low temperature (∼ 120K) on Cu(100) have been investigated. Such layers assume an fcc-crystal structure due to their interaction with the underlying Cu substrate. Within this work it is shown that the morphology of these films can be altered by annealing treatments. The thermally-induced morphological changes have direct consequences for domain wall propagation and result in increased coercivity and in modified surface anisotropy. Flat fcc-Fe layers on Cu(100) have been used as templates to form fcc-Fe/Cu/Fe trilayers with coupled perpendicular magnetization. Such systems might be of relevance for data storage applications. The perpendicular coupling is ascribed to the realignment of the magnetization of the bottom Fe layer within the stray field produced by the top Fe layer magnetization. The magnetic coupling has been investigated as a function of the thickness of the top and the bottom Fe layer as well as the Cu spacer thickness. It was found that the magneto-static interaction is a direct consequence of the fcc-structure of both Fe layers and the interface roughness. It is demonstrated that Fe films with fcc-structure and perpendicular magnetization can also be prepared on other fcc-templates, such as Pt substrates. Monatomic steps on the substrate surface are exploited to steer the growth of the film and with it the magnetism. Despite significant differences in the morphology and the atomic structure of Fe films on flat Pt(111) and stepped Pt(997), the critical thickness for the spin reorientation transition is similar on the two surfaces. However, the local atomic arrangement above three monolayer film thickness determines in-plane easy magnetization axis parallel to the step edges. For all layered systems investigated in this thesis, epitaxial strain is a the driving force which influences the film structure and triggers structural transitions. The strain dependence of the morphology and the magnetism was probed by a comparative study of Fe deposited on Pt substrates with and without a noble gas buffer layer. The formation of relaxed Fe clusters during Xe layer desorption is favored in the absence of the overlayer-substrate interaction. Striking differences in the magnetic anisotropy between the systems are attributed to magneto-elastic contributions. Measurements of the blocking temperature of the Fe clusters allow estimating the cluster size. All samples have been investigated under ultra high vacuum conditions. The study of the sample magnetic properties study was done by in-situ magneto-optical Kerr effect measurements and Kerr microscopy. Structural characterization was done by low energy electron diffraction and, in collaboration with other scientists, by scanning tunnelling microscopy.
    Résumé
    Dans cette thèse on présente une étude sur les propriétés magnétiques et structurales de films déposés par épitaxie et de clusters. Le principal résultat est l'observation de la correspondance directe entre le magnétisme et les détails structuraux ou morphologiques des films ultra minces. Dans ce but, la structure du film a été analysée directement au moyen de méthodes de science des surfaces. L'influence de la structure cristalline sur le magnétisme peut être observée in-situ par des techniques magnéto-optiques. Dans un premier temps, la croissance par épitaxie à basses températures (∼ 120K) de films de Fe sur du Cu(100) a été étudiée. De telles couches ont une structure cristalline de type cfc du fait de l'interaction avec le substrat de cuivre situé en dessous. Ce travail montre que la morphologie de ces films peut être altérée lors des expériences de recuit. Les changements morphologiques induits thermiquement ont des conséquences directes sur la propagation des parois des domaines. Ces changements produisent une augmentation de la coercitivité et une modification de l'anisotropie de surface. Des couches minces de cfc-Fe sur du Cu(100) ont été utilisées comme base pour la formation de couches triples de cfc-Fe/Cu/Fe ayant une aimantation perpendiculaire couplée. De tels systèmes pourraient être pertinents pour des applications de stockage de données. Le couplage perpendiculaire est attribué au réalignement de l'aimantation de la couche inférieure de Fe située dans le champ dipolaire produit par l'aimantation de la couche supérieur de Fe. Le couplage magnétique a été étudié en fonction de l'épaisseur de la couche inférieure et supérieure de Fe ainsi qu'en fonction de l'épaisseur de la couche de Cu séparant celles de Fe. L'interaction magnéto-statique serait une conséquence directe de la structure cfc des deux couches de Fe et de la rugosité des interfaces. Il est démontré que les films de Fe ayant une structure cfc et une aimantation perpendiculaire peuvent aussi être préparés sur d'autres bases de type cfc tels que des substrats de Pt. Les marches monoatomiques sur la surface du substrat sont exploitées afin de diriger le mode de croissance du film, ce qui permet ainsi de contrôler l'aimantation. Malgré d'importantes différences dans la morphologie et dans la structure des films de Fe sur du Pt(111) plat et sur du Pt(997) en forme de marche, l'épaisseur critique pour la transition de la réorientation du spin est similaire dans les deux systèmes. Cependant, après une transition d'une structure cfc vers une structure ccc, et dans le cas d'une épaisseur de marche supérieure à trois monocouches, l'arrangement atomique local détermine l'axe facile d'aimantation dans le plan comme étant parallèle aux bords des marches. Pour tous les systèmes de couches minces étudiés dans cette thèse, la contrainte épitaxiale représente l'une des forces motrices qui influencent la structure du film et déclenchent les transitions structurales. La dépendance de la morphologie et de l'aimantation en fonction de la déformation a été sondée à partir d'une étude comparative entre le Fe déposé à nu sur un substrat de Pt et le Fe déposé sur un substrat de Pt recouvert d'une couche de gaz noble. La formation de clusters de Fe sans contrainte lors de la désorption de la couche de Xe est favorisée en l'absence d'interaction entre la couche supérieure et le substrat. Les flagrantes différences dans l'anisotropie de l'aimantation entre les deux systèmes sont attribuées aux contributions magnéto-élastiques. Les mesures de la température de blocage des clusters de Fe permettent d'estimer la taille des clusters. Tous les échantillons ont été analysés sous ultra haut vide. L'étude des propriétés magnétiques a été effectuée par des mesures d'effet Kerr magnéto-optique et par l'utilisation d'un microscope Kerr. La caractérisation structurale a été faite à partir de la diffraction d'électrons lents et par microscopie à effet tunnel en collaboration avec d'autres chercheurs.