Structural and magnetic properties of exchange biased CoO/Co multilayers

Abstract

Bu çalışmada [CoO/Co]n (n = 1, 2, 3 ve 5) ince film yapısında Antiferromanyetik (AFM) CoO ve Ferromanyetik (FM) Co içeren dört adet çok katmanlı örneğin exchange bias özellikleri çalışılmıştır. Ferromanyetik Rezonans (FMR) ölçümleri gerçekleştirilerek örneklerin manyetik anizotropileri araştırılmış, Titreşimli Örnek Manyetometresi (VSM) kullanılarak exchange bias özellikleri incelenmiştir. Düzlem-dışı FMR çalışmalarından `n` arttıkça artan sayıda rezonans tepeleri elde edilmiş, düzlem-içi FMR ölçümlerinden de örnekler için film düzleminde tek-eksenel bir manyetik anizotropi elde edilmiştir. Düşük sıcaklık VSM ölçümleri, basamaklı yapıda ve exchange biasın işareti olan kaymış histerisis eğrileri vermiştir. Gözlemlenen basamakların, tek bir AFM komşuya sahip en üst FM Co katmanı dışında, her biri yukarıdan ve aşağıdan iki ara yüzey üzerinden iki AFM katman tarafından kilitlenen değişik kalınlıktaki FM katmanların bireysel manyetizasyon tersinmelerinden kaynaklandığı düşünülmektedir. Geçirimli elektron mikroskobu (TEM) görüntüleri, her bir FM katmanın komşu AFM katmanlar tarafından kilitlenmesinde önem arz eden FM – AFM kalınlıklarını ortaya koymuştur. CoO tabakasına ait X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS) ölçümleri, kobalt oksitin CoO ve Co3O4 gibi farklı fazlarının varlığının işareti olan Co+2 and Co+3 oksidasyon fazlarının AFM katmanda birlikte var olduğunu göstermiştir. Kobalt oksitin bu farklı fazlarının, AFM tabaka kalınlığının etkisine ek olarak, exchange bias sisteminde gözlemlenen ve yığın yapıdaki AFM CoO'in Néel sıcaklığından daha düşük olan engelleme sıcaklığından sorumlu olduğu düşünülmektedir. Ana deneysel çalışmalarla birlikte, tek bir FM katman için temel FMR rezonans koşulunu sağlayan teorik bir çalışma yapılmıştır. FMR için temel rezonans şartı elde edildikten sonra, genellikle manyetik-olmayan ara katmanlarla ayrılmış birçok FM katmandan oluşan sistemler (bir çoklu katman yapısı) çalışılmış ve dinamik duygunluğu hesaplamak için ve FMR deneylerinin bilgisayar benzetimlerimde kullanılabilecek bir matris modeli geliştirilmiştir.

In this study, the exchange bias properties of four multilayer stack samples of Antiferromagnetic (AFM) CoO and Ferromagnetic (FM) Co in the [CoO/Co]n thin film form with n = 1, 2, 3 and 5 are studied. Ferromagnetic resonance (FMR) measurements were carried out to investigate the magnetic anisotropies of the samples and vibrational sample magnetometry (VSM) was employed to probe the exchange bias properties. Out-of-plane FMR studies yielded an increasing number of resonance peaks as `n` increased and in-plane FMR measurements resulted in a uniaxial in-plane magnetic anisotropy for the samples. Low temperature VSM measurements provided shifted hysteresis curves, a sign of exchange bias, with a stepwise character. Observed steps are believed to be due to magnetization reversals of individual FM layers with varying thicknesses, each of which is pinned through two interfaces from above and below with two AFM layers, except the uppermost FM Co layer with a single AFM neighbour. TEM images provided FM-AFM layer thicknesses, which are important on the pinning of each FM layer by neighbouring AFM layers. X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) measurements of cobalt-oxide layer show that the oxidation states Co+2 and Co+3 coexist in the AFM layer which is an indication that different phases of cobalt-oxide, CoO and Co3O4, are existing in the layer. These different phases of cobalt oxide are thought to be responsible for the observed blocking temperature of the exchange biased system lower than the bulk Néel temperature of AFM CoO, in addition to the effect of thickness of the AFM layer.Along with the main experimental studies, a theoretical account of the Ferromagnetic Resonance in a single FM layer was conducted that leads to the fundamental resonance condition in FMR. After fundamental resonance condition of FMR was obtained, effort has been devoted to systems composed of many FM layers (a multilayer structure) generally separated by nonmagnetic spacer layers and a matrix model have been developed to solve the system of equations that can then be used to calculate the dynamic susceptibility and can be utilized for the computer simulation of FMR experiments.