Controlling the magnetic anisotropy in ultrathin metallic films

Abstract

Materiały magnetyczne są szeroko stosowane w różnych urządzeniach magnetycznych, takich jak pamięci lub czujniki. O właściwościach tych materiałów, zarówno statycznych jak i dynamicznych, decyduje anizotropia magnetyczna. Możliwość swobodnego modyfikowania anizotropii magnetycznej pozwoliłaby uzyskiwać dowolne materiały o właściwościach, na które byłoby zapotrzebowanie w danym urządzeniu.

W niniejszej Rozprawie opisane zostały sposoby modyfikacji anizotropii magnetycznej. Po Rozdziale 1, przedstawiającym podstawowe pojęcia związane z magnetyzmem, Rozdział 2 zawiera przegląd dobrze znanych technik, pozwalających na zmianę anizotropii w ultracienkich warstwach metalicznych. Już na etapie produkcji próbki, o właściwościach magnetycznych decyduje wybór metody preparacji, typ i struktura podłoża, warstwy buforowa i przykrywająca, a także w dużej mierze warunki w trakcie procesu wytwarzania. Metody, którymi można traktować już gotowe próbki, sklasyfikowane zostały na prowadzące do odwracalnych i nieodwracalnych zmian anizotropii magnetycznej.

Część doświadczalna Rozprawy również została podzielona na dwie części, poświęcone zmianom odwracalnym i nieodwracalnym. W obu przypadkach badane były podobne ultracienkie struktury Pt/Co/Pt, a czynnikiem, który wywoływał zmiany właściwości magnetycznych, było światło laserowe. Użyte techniki pomiarowe zostały przedstawione w Rozdziale 3. Wszystkie one bazowały na magneto-optycznym efekcie Kerra, który stanowi uniwersalne narzędzie do badania właściwości magnetycznych, od statyki po ultraszybką dynamikę.

W Rozdziale 4 badane były odwracalne zmiany anizotropii magnetycznej. Naświetlanie próbki za pomocą ultrakrótkich impulsów laserowych o względnie niskiej gęstości energii prowadziło do precesji namagnesowania. Amplituda i częstotliwość precesji okazała się być silnie zależna od grubości warstwy kobaltu oraz od amplitudy zewnętrznego pola magnetycznego. Zależności te zostały opisane za pomocą prostego modelu, który zakłada zmianę temperatury próbki, wywołaną impulsem światła - nagła zmiana termiczna efektywnego pola anizotropii uruchamia precesję. Korzystając z przedstawionego modelu, udzielono odpowiedzi na pytanie dotyczące zależności od temperatury powierzchniowego wkładu do anizotropii. Z racji na swą uniwersalność, zaprezentowany model może być potencjalnie wykorzystywany do wyznaczania także innych parametrów magnetycznych czy termodynamicznych materiałów.

Zwiększając natężenie światła w impulsie laserowym, w pewnym momencie gęstość energii staje się wystarczająco duża, by wywołać zmiany nieodwracalne w strukturze próbce, polegające na dyfuzji atomów między sąsiednimi warstwami. Taki efekt wygrzewania laserowego został opisany w Rozdziale 5. Wraz z modyfikacją struktury, pojawiają się także trwałe zmiany anizotropii magnetycznej. W szczególności, w wyniku naświetlania została wyindukowana faza prostopadła namagnesowania, dla przedziału grubości kobaltu, dla których normalnie występuje faza płaszczyznowa. Zmiany te są lokalne, ograniczone do kilku-mikrometrowego obszaru, odpowiadającemu danej gęstości energii padającej skupionej wiązki laserowej, i następują już po naświetleniu pojedynczym impulsem o czasie trwania rzędu 60 fs. Zaobserwowany efekt otwiera nowe możliwości wytwarzania nanostruktur z namagnesowaniem prostopadłym, przy użyciu stosunkowo prostej techniki, jaką jest operowanie światłem.

Magnetic materials are extensively applied in various magnetic devices, like memories or sensors. Properties of these materials, both statics and dynamics, are ruled by the magnetic anisotropy. The challenge is to be able to modify freely the magnetic anisotropy, to get a material of desired properties, proper for a current application.

This Thesis treated some possibilities of modification of the magnetic anisotropy. After the introductory Chapter 1, which explained the basic ideas of the magnetization and the magnetic anisotropy, in Chapter 2 a review of well-known techniques of tuning the magnetic anisotropy in ultrathin metallic layers was given. Even at the stage of sample preparation, the magnetic properties are strongly influenced by the chosen method of production, the type and structure of the substrate, buffer and cover layers, as well as the conditions during growth. Among the methods of treatment of already-prepared samples, we distinguished ones leading either to reversible or irreversible modification of the magnetic anisotropy.

Experimental part of this Thesis was also divided into two parts, devoted to reversible and irreversible modification. In both cases similar ultrathin Pt/Co/Pt systems were considered, and the laser irradiation was the factor, whose influence on magnetic properties was studied. Experimental methods used in the frame of the Thesis were presented in Chapter 3. All of them were based on the magneto-optical Kerr effect, which is a very powerful and universal tool to probe magnetic properties, from statics to ultrafast dynamics.

In Chapter 4 the reversible modification of the magnetic anisotropy was discussed. Illuminating the sample with ultrashort laser pulses of relatively low energy densities, the precession of the magnetization was found to occur. Amplitude and frequency of this precession was strongly dependent on the Co layer thickness and the amplitude of the externally applied magnetic field. This dependence was successfully explained with a simple model, which involved the laser-induced temperature increase, and the thermal changes of the effective anisotropy field was considered as a mechanism of triggering the precession. Using the model, we also answered a question concerning the thermal behavior of the surface contribution to anisotropy. Moreover, as the model is quite universal, it can be potentially used for determination of other magnetic or thermodynamic parameters of materials.

Increasing the fluence of laser pulses, at a certain point the energy density is high enough to bring some irreversible changes of the structure, via interdiffusion and mixing at interfaces. The effect of such laser-annealing was studied in Chapter 5. Together with structural modification, permanent changes of the magnetic anisotropy were observed. Particularly, the out-of-plane magnetization state was found to create for Co thicknesses, where normally the in-plane phase occurs. These light-induced changes happen locally, limited to a few-micrometers area of a certain energy density of the focused light beam, and ultrafast - after a single 60 fs laser pulse. This opens a unique opportunity of producing perpendicularly magnetized nanostructures, using relatively simple methods - operating with the light.