Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-888
Main Title: Polarized neutron reflectometry study of thin Fe films prepared on V(100)
Translated Title: Untersuchung duenner auf V(100) praeparierter Eisenschichten mittels Reflektometrie mit polarisierten Neutronen
Author(s): Yuntao, Liu
Advisor(s): Thomsen, Christian
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Die vorliegende Arbeit befasst sich insbesonders mit der experimentellen Methode der Reflektometrie mit polarisierten Neutronen (PNR). In einer Weiterentwicklung dieser wichtigen Technik wurden durch Kombination von in-situ und ex-site PNR-Messungen als Funktion der Schichtdicke zum ersten Mal damit Details der Magnetisierung eines ultradünnen Films untersucht. Es wird angestrebt, durch solche Untersuchungen an Schichten mit und ohne Abdeckschicht die Beiträge zur Magnetisierung von der Grenzfläche, dem Schichtinneren und der freien Oberfläche zu separieren und in ihrer Grösse abzuschätzen. Reihen von Schichtproben von V/t Fe/V(100) und t Fe/V(100) mit unterschiedlicher Fe-Schichtdicke t wurden auf MgO(100)-Substrat mit MBE präpariert. Besonders kritisch dabei war die Präparation eines chemisch reinen Vanadium-Substrats mit guter Kristall-Qualität. Statt einen V-Einkristall als Substrat zu benutzen, wurde V auf MgO(100) durch MBE-Epitaxie aufgedampft und unter verschiedenen Behandlungen schließlich mit einer ultradünnen V-Schicht abgedeckt. Diese Prozedur war erfolgreich und führte zu einer planen und reinen V(100)-Oberfläche mit guter kristalliner Qualität. An den ex-situ Messproben wurde mit Hilfe von XRR die Ausbildung von V2O3 an der Oberfläche der V-Abdeckschicht festgestellt, nachdem sie der Luft ausgesetzt waren. Die Oxidation drang jedoch nicht bis zur Tiefe der Fe/V-Grenzschicht durch, was die Fe-Magnetisierung beeinflusst hätte. Die Schichtproben wurden mit ex-situ PNR, ex-situ XRR, in-situ PNR, und in-situ MOKE untersucht, wobei die ex-situ-Messungen an Schichten mit V-Abdeckung durchgeführt wurden, und die in-situ-Messungen an Fe-Schichten mit freier Oberfläche. Alle Messdaten wurden in einem Plot dargestellt, mit dem Produkt aus magnetischem Moment mal Schichtdicke der Fe(100)-Filme als Funktion von der Fe-Schichtdicke. Durch die Auswertung dieser Plots wurden die verschiedenen Beiträge zur Magnetisierung abgeschätzt: Die Steigung der Geraden ist mit der Magnetisierung im Innern der Fe-Schicht korreliert; andererseits führt der x-Achsenabschnitt zur Separation der Beiträge von der Grenzfläche und der freien Oberfläche. Alle PNR-Daten erlauben die Beschreibung der Magnetisierung einer dünnen Schicht in konsistenter Weise mit dem Konzept der linearen Superposition eines Volumen- und Oberflächenanteils, wobei der Volumenanteil linear mit der Schichtdicke anwächst. Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass durch die V-Abdeckung die Gesamtmagnetisierung geändert wird, aber nicht das magnetische Fe-Moment im Innern der Fe-Schicht (das mit dem üblichen Moment von bulk-Fe übereinstimmt). Die Kombination der Daten aus beiden PNR-Messreihen zeigt einerseits die Existenz eines reduzierten magnetischen Momentes an der Fe/V-Grenzfläche, was zu einer Reduzierung um 0.75(±0.05) Bohr magneton/Atom abgeschätzt wurde (entsprechend in etwa 35% des bulk-Fe-Wertes). Im Gegensatz dazu zeigt sich ein erhöhtes magnetisches Moment an der freien Fe-Oberfläche, was zu einer Erhöhung von ca. +0.3(±0.9) Bohr magneton/Atom abgeschätzt wurde. Aus dem Vergleich unser Ergebnisse mit den Arbeiten von Nawrath et al. [Naw99] und Schmitz et al. [Sch04] an dem Fe/V(110)-System schließen wir, dass die in [Naw99] beobachtete starke Reduzierung der Magnetisierung an der Fe/V(110)-Grenzfläche keine allgemeine Gültigkeit hat.
The present work emphasizes on the polarized neutron reflectometry (PNR) method as a powerful tool to study details of the magnetization of an ultrathin film by combining in-situ and ex-situ PNR measurements as function of the film thickness for the first time. The aim is to separate and estimate the magnetization contributions from the interface, the inner part and the free surface of the film by investigating capped and uncapped films. A series of samples of V / t Fe / V(100) and t Fe / V(100) all grown on MgO(100) substrates with different Fe thickness t were prepared by molecular beam epitaxy (MBE). The critical part of the preparation of the Fe/V samples was the preparation of a chemically clean Vanadium substrate layer with a good crystalline quality. Instead of using a V single crystal substrate, V was evaporated on a MgO(100) substrate together with an additional ultrathin V toplayer by MBE with various heat treatments. This procedure was successful leading to a smooth and clean V(100) surface with good crystalline quality. Concerning the samples for the ex-situ measurements it was established with the help of x-ray reflectometry (XRR) that V2O3 was formed on top of the V capping layer after the samples were exposed to air. The oxidation, however, did not penetrate as deep as to reach the Fe/V interface which would have influenced the Fe magnetization. The samples were studied using ex-situ PNR, ex-situ XRR, in-situ PNR, and in-situ magneto-optical Kerr effect (MOKE). The ex-situ measurements were done on V-capped samples, while uncapped Fe films were used in the in-situ measurements. According to the results obtained the product of the magnetic moment per atom and the Fe thickness of ultrathin Fe(100) films was plotted as a function of the Fe thickness. Analyzing these plots the different contributions to the magnetization were estimated. The slope of this kind of plot is correlated with the magnetization from the inner part of the Fe layer. On the other hand, the intersection at the abscissa may help to separate the contributions from the interface and free surface. All the PNR data are consistent with the concept of a linear superposition of a volume and a surface term for describing the magnetization of a thin film, where the volume term grows linearly with the thickness. The experiments clearly indicate that the capping of the thin Fe film with V changes the total magnetization, whereas it does not affect the magnetic moment of the inner part of the Fe layer (which is that of bulk Fe). Combining both series of PNR experiments demonstrates the existence of a reduced magnetic moment at the Fe/V interface, estimated to be a reduction of 0.75(±0.05) Bohr magneton/atom which corresponds to about 35% of the Fe bulk value. In contrast, an enhanced magnetic moment at the free Fe surface is derived (estimated to be an enhancement of +0.3(±0.9) Bohr magneton/atom). Comparing the present results with the results obtained by Nawrath et al. [Naw99] and by Schmitz et al. [Sch04] on the Fe/V(110) system we conclude that the large reduction of the magnetic moment at the Fe/V(110) interface as found by Nawrath et al. is not a generic case.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-7891
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1185
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-888
Exam Date: 29-Apr-2004
Issue Date: 28-May-2004
Date Available: 28-May-2004
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): Reflektometrie mit polarisierten Neutronen
ultraduenne Schichten
Magnetismus
Fe/V(100)
Polarized neutron reflectometry
ultrathin film
magnetism
Fe/V(100)
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