Magnetische Anisotropie und Dämpfungsmechanismen in ultradünnen 3d-Ferromagneten

Im Rahmen dieser Arbeit wurden ultradünne ferromagnetische Filme und Vielfachlagen der 3d-Übergangsmetalle mittels Ferromagnetischer Resonanz untersucht. Diese Methode erlaubt nicht nur die sehr genaue Messung von Anisotropiefeldern, sondern sie ermöglicht es auch, die Interlagenaustauschkopplung in absoluten Einheiten zu bestimmen, was mit anderen Meßtechniken so nicht möglich ist. Dabei lag das Hauptaugenmerk auf Dreifachlagen mit zueinander senkrechten oder verkippten Magnetisierungen. Zweites wesentliches Ziel dieser Arbeit war es, aus der Linienbreite die Magnetisierungsdynamik anhand der in den Filmen wirksamen Dämpfungsmechanismen zu charakterisieren. Als Probensysteme wurden neben Ni- und Co-Filmen auf Cu(001) auch technologisch vielversprechende Kombinationen aus Ferromagnet und Halbleiter-Substrat verwendet. Gegenstand der Untersuchungen im einzelnen war (1.), die Bestimmung der oszillatorischen Interlagenaustauschkopplung für Ni/Cu/Co und Ni/Cu/Ni-Dreifachlagen mit zueinander senkrechten leichten Richtungen für Zwischenschichtdicken von 4-50 ML und der Vergleich mit theoretischen Vorhersagen. Mit Hilfe neuer theoretischer Modelle und Messungen konnte (2.) nun endgültig geklärt werden, daß die Temperaturabhängigkeit der Kopplung in Ni/Cu/Co-Dreifachlagen auf der thermischen Anregung von Spinwellen beruht. (3.) Analysen der Linienbreiten der Dreifachlagen offenbarten einen dynamischen Anteil an der Kopplung, der durch den Spin-Pump-Effekt verursacht wird und zu einer effektiv vergrößerten Gilbert-Dämpfung führt. So zeigen auch die Linienbreiten der optischen und akustischen Mode Oszillationen mit der Zwischenschichtdicke. (4.) Darüber hinaus ist in schwach gekoppelten Systemen eine Kompensation des Spin-Pump-Effektes beobachtbar, wobei (5.) die UHV-FMR es ermöglicht, durch schrittweise Präparation die Zunahme der Linienbreite durch den Spin-Pump-Effekt zu untersuchen. (6.) Die Linienbreite von Fe/V-Multilagen wurde im Bereich von 1-225 GHz frequenz- und auch winkelabhängig untersucht. Für diese Proben konnte die bislang in ultradünnen Filmen vernachlässigte Zwei-Magnonen-Streuung nachgewiesen werden. Oberflächendefekte induzieren hier eine Dämpfung, die gegenüber der intrinsischen Gilbert-Dämpfung dominiert. In einem weiteren Schritt wurden (7.) die magnetischen Anisotropien und die Dämpfungsmechanismen der Ferromagnet/Halbleiter-Hybridstrukturen Fe/InAs(001), Fe_3Si/GaAs(001) und MnAs/GaAs(001) in Kooperation mit externen Forschungsgruppen untersucht. Dabei wurde auch ein Zusammenhang zwischen dem homogenen, epitaktischen Wachstum und der geringen Linienbreite sichtbar. Die ungewöhnliche Koexistenz einer ferromagnetisch/paramagnetischen Streifenstruktur von alpha/beta-MnAs konnte (8.) detailliert dargestellt und die Kopplung in und zwischen den Streifen mittels Spinwellenresonanz bestimmt werden. (9.) Apparativ konnte die UHV-FMR-Meßapparatur technisch so verbessert werden, daß nun erstmals Messungen der kompletten polaren und azimutalen Winkelabhängigkeit in situ durchgeführt werden können.