Chunlei Gao

Spin structure of antiferromagnetic thin films investigated with spin-polarized scanning tunneling microscopy

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) vorgelegt an der Naturwissenschaftlichen Fakultät II der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 18.12.2006

Abstract
Das Ziel dieser Dissertation ist die Untersuchung von nicht-kollinearen antiferromagnetischen Oberflächenspinstrukturen mittels der spinpolarisierten Rastertunnelmikroskopie. Die spinpolarisierten Rastermessungen wurden durch die Benutzung einer weichmagnetischen Ringelektrode ermöglicht. Die topographischen Signale und die Spinsignale konnten durch Messungen im differentiellen magnetischen Modus getrennt werden. Es wurden zwei Systeme ultradünner Filme untersucht. Zunächst wurde bei Manganfilmen, die auf einer Fe(001)-Oberfläche gewachsenen wurden, eine neue (√10×2√10)R18.4° Oberflächenrekonstruktion mit nicht-kollinearer Spinstruktur gefunden. Durch Vergleich von spinpolarisierten Messungen in zwei zueinander senkrechten Richtungen konnte das volle Vektorfeld der Spinpolarisation in der Oberflächeneinheitszelle rekonstruiert werden. Die nahezu antiparallele Ausrichtung der magnetischen Momente der Manganatome an der Oberfläche konnte mit atomarer Auflösung gezeigt werden. Dieses Verhalten kann damit erklärt werden, dass die Manganatome eine Tendenz dazu zeigen, antiferromagnetisch gekoppelte Dimere zu bilden. Weiterhin wurde die Spinstruktur von antiferromagnetisch geordneten dünnen Filmen aus NiMn auf Cu(001) untersucht. Diese Filme zeigen in der Oberflächenebene kompensierte magnetische Momente. Es wurde eine unterschiedlich große Spinpolarisation der Ni und Mn-Atome beobachtet. Eine partielle antiferromagnetische Kopplung der Mn- und Ni-Oberflächenmomente führt zur Entstehung einer p(2×2) Obeflächenrekonstruktion. Die dazugehörigen experimentellen Resultate werden mit ab-initio Rechnungen verglichen.

The objective of this thesis is to investigate noncollinear antiferromagnetic surface spin structures with spin-polarized scanning tunneling microscopy (Sp-STM). The spin-polarized measurements are realized by using a soft magnetic ring as the scanning electrode. A complete separation of topographic and spin signal is achieved through operating the Sp-STM in the differential magnetic mode. Two systems were studied. First, a large (√10×2√10)R18.4° reconstruction of Mn films with a noncollinear spin structure was found on Fe(001). By combining maps of the spin polarization of two orthogonal directions, the vector field of the polarization in the unit cell was fully constructed. Nearly antiparallel alignments of surface Mn moments was resolved on atomic scale. The complex behavior is explained on basis of the tendency of Mn to form antiferromagnetic coupled surface dimers.
Second, the spin structure of chemical ordered NiMn thin films on Cu(001) was investigated. An in-plane magnetic compensated surface was found. Different spin polarizations of Ni and Mn were observed. A partially antiferromagnetic coupling between surface Mn (Ni) moments was attributed to be responsible to the p(2×2) reconstruction of the surface. The experimental results are compared with the first principle calculations.

Keywords:
Anitferromagnetische dünne Filme, Spinpolarisierte Rastertunnelmikroskopie, Mn, NiMn, Spinstruktur

Antiferromagnetic thin films, Spin polarized scanning tunneling microscopy, Mn, NiMn, Spin structure

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Inhaltsverzeichnis
Front page, Abstract, Kurzfassung, Contents (1-4, i-ii)
1. Introduction (1-4)
2. Theoretical background (5-20)
3. Experimental details (21-32)
4. Structure and magnetic properties of reconstructed Mn on Fe(001) (33-50)
5. Structure and magnetic properties of equiatomic NiMn on Cu(001) (51-76)
6. Conclusion (77-78)
Bibliography (79-86)