Untersuchung des Röntgenzirkulardichroismus an magnetischen Tunnelelementen

• Antragsteller: Dr. Jan Michael Schmalhorst
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2003 bis 2006
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 5422398

• Erstellungsjahr: 2006

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Magnetische Tunnelkontakte bestehen im Wesentlichen aus zwei ferromagnetischen Metallelektroden, welche durch eine typischerweise Inm dicke Isolatorschicht voneinander getrennt sind. Legt man eine Spannung an den Kontakt an, so kann aufgrund des quantenmechanischen Tunneleffektes ein Strom durch die isolierende Tunnelbarriere fließen, dessen Größe von der relativen Orientierung der Magnetisierungen der Elektroden abhängt. Diese kann durch ein äußeres Magnetfeld verändert werden, sodass sich eine Widerstandsänderung in Abhängigkeit vom äußeren Magnetfeld ergibt. Dieser Effekt wird Tunnelmagnetowiderstand (TMR) genannt. In dem Projekt wurden die elementspezifischen magnetischen und chemischen Eigenschaften der Tunnelkontakte - insbesondere ihrer Grenzfläche zwischen Barriere' und ferromagnetischer Elektrode - mittels Röntgenabsorptionsspektroskopie, -zirkulardichroismus und -photoelektronenemissionsmikroskopie im weichen Röntgenbereich untersucht. Dabei wurden drei verschiedenen Themenkomplexe bearbeitet, die in engem Zusammenhang mit anderen Forschungsprojekten unserer Bielefelder Arbeitsgruppe standen. Die Ergebnisse wurden in sechs Publikationen verwendet: (1) Tunnelkontakte mit Heusler-Legierungselektrode: Ferromagnetische Halbmetalle wie Co2MnSi sind attraktive Elektrodenmaterialien für Tunnelkontakte, da bei ihnen nur Elektronen einer Spinorientierung an der Fermikante vorliegen und somit zum Stromfluss beitragen können. Die Implementierung dieses Materials in Tunnelkontakte ist wegen der Empfindlichkeit seiner elektronischen Eigenschaften gegenüber atomarer Unordnung und wegen der großen Sauerstoffaffinität von Mangan und Silizium allerdings schwierig. Durch temperaturabhängige Messungen der chemischen und magnetischen Eigenschaften der Grenzfläche zwischen Co2MnSi Elektrode und Al-O Barriere konnten die temperatur- und spannungsabhängigen Transporteigenschaften erklärt und Ursachen für die derzeitige Limitierung der Spinpolarisation des CoiMnSi auf 72% statt der theoretisch vorhergesagten 100% aufgedeckt werden. (2) Tunnelkontakte mit ionenstrahlmodifizierten Mn-Ir / Co und Mn-Ir / Co-Fe Exchange Bias Systemen: In Tunnelkontakten wird in der Regel die eine ferromagnetische Elektrode durch einen Antiferromagneten gepinnt, d.h. ihre Hysteresekurve ist um das Exchange Bias Feld HEB verschoben und sie ist ohne äußeres Feld immer homogen magnetisiert. Durch lateral eingeschränkten He+-Beschuss der Proben im Magnetfeld kann Richtung und Stärke der Verschiebung HEB gezielt eingestellt werden, was eine Reihe interessanter Anwendungsmöglichkeiten bietet. In diesem Projekt konnte experimentell nachgewiesen werden, dass die ionenstrahlinduzierte Durchmischung an der AFM / FM Grenzfläche die Ursache für die starke Abnahme des HEB mit steigender lonendosis ist. Die thermische Stabilität von lateralen magnetischen Nanostrukturen ist dagegen nicht durch ionenstrahlinduzierte Defekte limitiert, sondern nur durch die intrinsische Temperaturabhängigkeit von HEB im Verhältnis zur magnetischen Streufeldenergie der künstlich hergestellten Nanostruktur. (3) Thermische Stabilität von Tunnelkontakten: Der im Allgemeinen zu findende durch Auslagerung der Proben induzierte Anstieg der TMR-Amplitude konventioneller magnetischer Tunnelkontakte mit 3d-Übergangsmetall-Elektroden (Fe, Co und Ni sowie deren Legierungen) wurde am Beispiel von Mn-Ir / Co-Fe / Al-O / Ni-Fe Kontakten mit den chemischen und magnetischen Eigenschaften an den Elektroden - Barrieren - Grenzflächen korreliert. Es konnte gezeigt werden, dass die Bildung geringer Mengen Fe-O an der unteren Barrierengrenzfläche für das Erreichen höchster TMR-Amplituden essentiell ist. Während der Auslagerung wurde das Fe-O vollständig durch Mangan reduziert, welches vom antiferromagnetischen Mn-Ir durch die Korngrenzen des Co-Fe zur Barriere diffundierte. Die Kontakte mit größter Co- und Fe-Grenzflächenmagnetisierung zeigten gleichzeitig die höchste TMR-Amplitude (50% bei RT).

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• J. Schmalhorst, M. D. Sacher, A. Thomas, H. Briickl, G Reiss, K. Starke: "X-ray absorption and magnetic circular dichroism studies of annealed magnetic tunnel junctions", J. Appl. Phys. 97 (2005) 123711
  
  
• J. Schmalhorst, M. D. Sacher, V. Höink, G. Reiss, D. Engel, A. Ehresmann: "X-ray absorption and magnetic circular dichroism studies of ion bombarded ferromagnetantiferromagnetbilayers", Phys. Rev. B 70 (2004) 184403 1-4
  
  
• J. Schmalhorst, S. Kämmerer, G, Reiss, A. Hütten: "Inelastic electron tunneling spectroscopy and bias voltage dependence of magnetic tunnel junctions with polycrystalline Co2MnSi electrode", Appl. Phys, Lett. 86 (2005) 052501 (selected for the Virtual Journal of Nanoscale Science & Technology Volume 11, Issue 5, February 7, 2005)
  
  
• J. Schmalhorst, S. Kämmerer, M. Sacher, G. Reiss, A. Hütten, A. Scholl: "Interface structure and magnetism of magnetic tunnel junctions with Co2MnSi electrode", Phys. Rev. B 70 (2004) 024426 1-7