Xingyu Gao

Photoelectron diffraction in magnetic dichroism in core-level photoemission

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) vorgelegt an der Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 14.07.1999

Abstract
Ferromagnetische dünne Schichten, die epitaktisch auf nichtmagnetischem Substrat aufgewachsen wurden, haben häufig eine metastabile Struktur und komplizierte magnetische Eigenschaften. Insbesondere können die Struktur und der Magnetismus der Grenzschicht und der Oberflächenschicht von denen im Inneren sehr stark abweichen. Es wird daher eine Methode benötigt, die Informationen über die Tiefenverteilung der magnetischen Eigenschaften innerhalb eines Filmes homogener chemischer Zusammensetzung liefert.
Mit dem Ziel eine solche Methode zu verwirklichen, erforscht diese Arbeit mit einer ausführlichen Studie die Beugungseffekte (PD) im magnetischen Dichroismus in der winkelaufgelösten Rumpfniveau-Photoemission (MDAD). Diese liefern entweder die strukturelle Informationen (PD) auf einer magnetischen Grundlage (MDAD) oder die magnetischen Informationen auf einer strukturellen Grundlage. Zunächst wurden Experimente an fcc Co/Cu(001) durchgeführt, um Grundkenntnisse über Beugungseffekte im MDAD zu erhalten. Es wurde gefunden, daß der magnetische Dichroismus generell in zwei Beiträge aufgeteilt werden kann: der erste ist der atomare Dichroismus, der winkelunabhängig ist und hauptsächlich vom magnetischen Moment des Atoms bestimmt wird; Der zweite Beitrag stammt von Beugungeffekten, die den magnetischen Dichroismus in der Nähe jeder niedrig indizierten Kristallrichtung der Schicht stark verändern. Weil die Vorwärtsstreuung die Photoemission bei kinetischen Energien oberhalb von 400 eV beherrscht, spielt sie eine dominante Rolle bei der Beugungeffekten. Es wurde eine starke Dicken- und Temperaturabhängigkeit der Beugungeffekte im magnetischen Dichroismus gefunden. Wie am Co/Cu(001) System gezeigt wurde, können magnetische und strukturelle Informationen aus den Beugungeffekten gleichzeitig erlangt werden. Dieses Wissen regte die Untersuchung von Fe/Co/Cu(001) an. Anhand der unterschiedlichen Winkelabhängigkeiten des magnetischen Dichroismus bei Fe-Dicken von 3 ML und 8 ML in diesem System wird eindeutig nachgeweisen, daß bei 8 ML Fe Schichtdicke eine magnetische Fe Oberfläche mit darunterliegenden nichtmagnetischen Fe Schichten vorliegt, und daß die 3 ML Fe Schicht völlig ferromagnetisch ist. Dieses weitere Ergebnis demonstiert die Anwendbarkeit dieser Methode, um die Verteilung der magnetischen Eigenschaften innerhalb eines einzelnen Filmes des gleichen Elements zu untersuchen.

Thin ferromagnetic films, epitaxially grown on non-magnetic substrates, often grow in a metastable structure with complicated magnetic properties. In particular, both structure and magnetism of film interfaces and surfaces may very well deviate from those of the interior of the film. A method is thus needed which permits one to obtain information about the depth distribution of magnetic properties within a single film of the same element.
To realize such a method, this work gives a detailed study of photoelectron diffraction (PD) in magnetic dichroism in angle-resolved core-level photoemission (MDAD), which should give structural information (PD) on a magnetic basis (MDAD), or magnetic information on a structural basis. First experiments were performed on fcc Co/Cu(001) to obtain the knowledge about diffraction effects in MDAD. It was found that the magnetic dichroism have generally two contributions: one is the atomic-like dichroism, which is constant in the angular dependence and determined mainly by the magnetic moment of the atom; The other contribution comes from diffraction effects, which varies the magnetic dichroism strongly around each low index axis of the film. As forward scattering dominates the photoemission at kinetic energies of above 400 eV, it plays a prominent role in the diffraction effects. Diffraction effects in MDAD were found be sensitive to the film thickness and to the sample temperature. As was shown in the Co/Cu(001) system, magnetic and structural information can be obtained at the same time from diffraction effects in MDAD. This knowledge encourages the study of Fe/Co/Cu(001). This study shows unambiguously from the different angular dependences of magnetic dichroism at Fe thickness of 3 ML and of 8 ML, that there is a magnetic live Fe surface at 8 ML on top of non-ferromagnetic Fe underlayers and that 3 ML Fe film is fully ferromagnetic. This result further demonstrates the applicability of this method, which allows to study the distribution of magnetic properties within a single film of the same element.

Keywords:
Electronenbeugung, magnetischen Dichroismus, ultradünne Schichten, Photoemission, winkelaufgelöst, Rumpfniveau, Vorwärtsstreuung

electrondiffraction, magnetic dichroism, ultrathin film, photoemission, angle-resolved, core-level, forward scattering

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Inhaltsverzeichnis
Contents (i-ii)
1 Introduction (1-2)
2 Theoretical aspects of core-level photoemission (3-12)
3 Experimental aspects (13-19)
4 MDAD in core-level photoemission (20-67)
5 Discussion (68-84)
Zusammenfassung (85-88)
References (89-94)