成長,結構與磁性於鐵/錳/銅三金(100)交換偏耦合系統

Growth,Structure, and Magnetism in Fe/Mn/Cu3Au(100) Exchange-Biased System

林綾芝(Ling-Chih Lin)

指導教授 ： 林敏聰

共同指導教授 ： 宋克嘉(Kar- Jar Song)

國立臺灣大學/理學院/物理研究所/碩士(2004年)

https://doi.org/10.6342/NTU.2004.02199

摘要

鐵和錳兩元素相接鄰於週期表，卻顯露出截然不同的磁性和結構。我們透過磁光科爾效應 (MOKE)，歐傑電子能譜 (AES) 和低能及中能電子繞射儀器 (LEED, MEED)來研究由磊晶方式成長於銅三金基底 Cu3Au(100) 上的鐵和錳及鐵/錳/銅三金(100)系統。當錳薄膜成長於銅三金基底會以接近面心立方 (fcc) 的暫穩態存在，使我們得以觀察此錳結構之磁性並驗證其與理論計算相符為反鐵磁性（ＡＦ）。隨著厚度的增加，我們由低能電子繞射儀（LEED）發現室溫鍍和低溫鍍的錳分別在約十一層及八層發生結構上的改變，伴隨著垂直原子間距由 ∼1.9Å 降到 ∼1.78 Å。於接近錳發生結構轉變的厚度，我們在鐵/錳/銅三金(100)系統量測到磁交換偏耦合作(Exchange Bias)，也就是磁滯曲線偏移於中心點的現象。此偏移量又以錳約五層厚於結構轉變厚度時為最大，隨著增高或減低錳於鐵/錳/銅三金的厚度而減少，並消失於約３００Ｋ（對於室溫成長的錳）及１８０Ｋ（低溫）。對於成長於１５層錳以上的鐵，隨著鐵厚度的增加，鐵的結構及磁性會發生變化。１４層以下的鐵，我們於垂直或平行於表面的方向皆量測不到任何鐵磁性。於１４層厚的鐵層，我們觀測到鐵磁性很迅速的出現並伴隨著約１２層的殘磁量，也就是除了鐵/錳層界面的合金，其餘的鐵層磁性皆發生壓倒性的轉變。從I/V-LEED與SPA-LEED的測量,我們發現隨著厚度的增加,鐵之垂直原子層距縮短為∼1.5Å，近似於塊材bcc (100) Fe的結構。由此鐵/錳系統，我們亦觀察系統溫度，鐵磁層厚度，反鐵磁層厚度，成長溫度和交換偏耦合的關係來更進一步了解界面磁性耦合的演化。

關鍵字

錳 ； 交換偏耦合 ； 鐵

並列摘要

Fe/Mn/Cu3Au(100) system has been studied by Magneto-optical Kerr effect,
Auger electron spectroscopy, and electron di®raction techniques. The magnetism
of tetragonal Mn grown on Cu3Au(100) is inferred to be antiferromagnetic (AF). By
employing the Fe/Mn/Cu3Au(100) system as a prototype, the evolution of exchange
bias with temperature, AF thickness, FM thickness and deposition condition is in-
vestigated. Low-energy-electron-diffraction and medium-energy-electron-diffraction
experiments show pseudomorphic growth of Mn on Cu3Au(100). A structural trans-
formation characterized by a reduction in vertical interlayer distance from »1.9ºA
to »1.78ºA is observed for room temperature (RT) grown Mn at 11 ML. For low
temperature (LT) grown Mn, a similar transformation occurs at 8 ML. Close to the
Mn critical thickness, we observe the onset of exchange bias in Fe overlayer. Fe
overlayer on Mn/Cu3Au(100) also undergoes phase transitions in both structure and
magnetism. The ferromagnetic signal appears at Fe thickness above 14 ML and disap-
pears for thickness below. The spot in SPA-LEED pattern continually expands with
Fe thickness between 12 and 15 ML. The interlayer distance of Fe remains almost the
same from 14»21 ML. For growing Fe overlayer on Mn, a decrease of both exchange
bias and coercivity is detected.

並列關鍵字

Fe ； Mn ； Exchange biase

參考文獻

[1] Young D A. Phase Diagrams of the Elements. Berkeley, CA: University of

K. D. Usadel. Phys. Rev. B., 68:214420, 2003.

G. Krill, and M. Piecuch. Phys. Rev. B., 57:1985, 1998.

[5] T. Asada and K. Terkura. Phys. Rev. B, 47:15992, 1993.

[6] S. D. Bader, E.R. Moog, and P. Grunberg. J. Magn. Magn. Mater., 53:295, 1986.