Wolfgang Kuch, Dr. rer. nat.

Abbildende magnetische Mikrospektroskopie

Kumulative Habilitationsschrift zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium habilitatus (Dr. rer. nat. habil.) vorgelegt an der Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
Beschlußdatum 13.11.2002

Abstract
In der vorliegenden Arbeit wird eine Kombination von magnetischer Mikroskopie und Spektroskopie als Methode zur Untersuchung lokaler quantitativer Eigenschaften magnetischer Systeme vorgestellt. Photoelektronen-Emissionsmikroskopie (PEEM) in Verbindung mit magnetischem Zirkulardichroismus in der Röntgenabsorptionsspektroskopie (x-ray magnetic circular dichroism, XMCD) erlaubt die elementselektive lokale Spektroskopie von magnetischen Oberflächen und Schichtsystemen. In PEEM wird die Sekundärelektronenverteilung an der Probenoberfläche benutzt, um mit einer elektrostatischen Elektronenoptik ein vergrößertes Bild der Probenoberfläche zu erstellen. Die Bildintensität kann als Maß für den lokalen Röntgenabsorptionsquerschnitt betrachtet werden. Fährt man die Photonenenergie schrittweise durch und nimmt für jeden Energieschritt für beide Lichthelizitäten ein Bild der Probe auf, erhält man einen mikrospektroskopischen Datensatz, in dem für jeden Bildpunkt die volle spektroskopische Information von XMCD enthalten ist. Diese vollständige Kombination von XMCD und PEEM wird hier als "Abbildende magnetische Mikrospektroskopie" bezeichnet. Es wird ein Verfahren zur automatischen Auswertung dieser Vollbild-Mikrospektroskopiedaten nach den sogenannten Summenregeln vorgestellt, bei der man elementaufgelöst die magnetischen Spin- und Bahnmomente erhält, und zur Untersuchung der magnetischen Phasen von ultradünnen Fe-Schichten zwischen Co- und Ni-Schichten auf Cu(001) sowie des Spinreorientierungsübergangs in Co/Ni/Cu(001)-Doppelschichten angewendet. In Ni/Fe/Co/Cu(001)-Dreifachschichten wurde das magnetische Spin- und Bahnmoment von drei verschiedenen magnetischen Eisenphasen, zwei Phasen mit hohem Spinmoment bei niedrigen (< 4 ML) und hohen (>11 ML) Fe-Schichtdicken sowie einer Phase mit niedrigem Spinmoment bei mittleren Fe-Schichtdicken als Funktion der Fe- und der Ni-Schichtdicke bestimmt. Das schichtdickengemittelte magnetische Moment in letzterer Phase ändert sich in einem gewissen Bereich bei Bedeckung mit Ni, was möglicherweise auf eine antiparallele magnetische Kopplung der Co- und Ni-Momente durch die Fe-Schicht hindeutet. In Co/Ni-Doppelschichten dreht sich die Vorzugsrichtung der Magnetisierung mit zunehmender Co-Schichtdicke oder abnehmender Ni-Schichtdicke von einer Richtung senkrecht zur Filmebene zu einer Richtung in der Filmebene. Die Auswertung der abbildenden Mikrospektroskopie mit den Summenregeln zeigt, dass sich das Ni-Bahnmoment am Spinreorientierungsübergang charakteristisch ändert. Dies wird mit dem Zusammenhang zwischen der Anisotropie des magnetischen Bahnmoments und der magnetokristallinen Anisotropie erklärt.

The combination of magnetic microscopy and spectroscopy is presented in this thesis as a method for the quantitative investigation of local magnetic properties. Photoelectron emission spectroscopy (PEEM) in combination with x-ray magnetic circular dichroism (XMCD) in x-ray absorption allows the element-selective local spectroscopy of magnetic surfaces and layered systems. The secondary electron distribution at the sample surface is used in PEEM to create a magnified image of the sample surface by an electrostatic electron optics. The image intensity can be regarded as a measure of the local x-ray absorption cross section. Scanning the photon energy in steps and acquiring PEEM images of the sample for both helicities at each energy step results in a micro-spectroscopic data set which contains the full spectroscopic information inherent to XMCD at each image pixel. This ultimate combination of XMCD and PEEM is named "Imaging magnetic microspectroscopy". A procedure for the automatic analysis of full-image microspectroscopic data by so-called sum-rules is presented, which yields the element-selective spin and orbital magnetic moments. It is applied for the investigation of the magnetic phases of ultrathin Fe layers sandwiched between Co and Ni layers on Cu(001) and for the investigation of the spin reorientation transition in Co/Ni/Cu(001) bilayers. The spin and orbital magnetic moment of three different magnetic phases of Fe in Ni/Fe/Co/Cu(001) trilayers, namely two phases with high spin moment at low (<4 ML) and high (>11 ML) Fe thickness, as well as one phase with low spin moment at intermediate Fe thicknesses, have been determined as a function of Fe and Ni thickness. In the latter phase, the depth-averaged spin moment exhibits a change upon varying the Ni overlayer thickness in a certain range. This could be related to an antiparallel magnetic copupling of the Co and Ni magnetic moments across the Fe layer. The easy axis of magnetization in Co/Ni bilayers changes from perpendicular to the film plane to parallel to the film plane upon increasing the Co thickness or decreasing the Ni thickness. The sum-rule analysis of imaging magnetic microspectroscopy data shows that the Ni orbital moment exhibits a characteristic change at the spin-reorientation transition. This is explained by the correlation between the anisotropy of the orbital moment and the magneto-crystalline anisotropy.

Keywords:
Photoelektronen-Emissionsmikroskopie, Röntgen-Absorptionsspektroskopie, Mikrospektroskopie, ultradünne magnetische Filme, magnetischer Zirkulardichroismus, magnetische Domänen, magnetische Zwischenschicht-Austauschkopplung, magnetischer Spinreorientierungsübergang

Photoelectron emission microscopy, X-ray absorption spectroscopy, microspectroscopy, ultrathin magnetic films, magnetic circular dichroism, magnetic domains, magnetic interlayer exchange coupling, magnetic spin-reorientation transition

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Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis (iii-iv)
1. Einleitung (1-22)
2. Von der magnetischen Domänenabbildung zur abbildenden Mikrospektroskopie (23-36)
3. Ausgewählte Ergebnisse (37-52)
4. Ausblick (53-54)
5. Literaturverzeichnis (55-64)
6. Originalveröffentlichungen (65-148)