Strukturelle und magnetische Veränderungen in Schichtsystemen mit Grenzflächenaustauschkopplung nach dem Beschuss mit keV-Heliumionen

Magnetische Schichtsysteme mit Grenzflächenaustauschkopplung sind in ihrer Art dahingehend einzigartig, dass sie unter bestimmten Bedingungen nur eine einzige präferierte Orientierung der remanenten Magnetisierung aufweisen, das heißt, dass die Ausrichtung ihrer Magnetisierung in Abwesenheit eines externen Magnetfeldes eindeutig definiert ist. Hervorgerufen wird dies durch die Austauschkopplung einer dünnen ferromagnetischen mit einer dünnen antiferromagnetischen Schicht, wodurch der sogenannte exchange-bias-Effekt (EB-Effekt) auftritt. Eine entscheidende Rolle spielt dieser Effekt beispielsweise in Riesen- und Tunnelmagnetowiderstandssensoren. Der Beschuss von EB-Dünnschichtsystemen mit Heliumionen einer Energie von wenigen 10 keV in Anwesenheit eines externen Magnetfeldes, das den Ferromagneten sättigt, kann experimentell genutzt werden, um magnetische Domänen mit einer beliebigen Form und Ausrichtung der Magnetisierung in der Probenebene zu erzeugen, die topographisch mit einer Genauigkeit von wenigen Nanometern eben sind. Dies wird in der Literatur durch den Prozess des ion bombardment induced magnetic patterning (IBMP) beschrieben. Im Rahmen dieser Dissertation wurde experimentell und auf Basis von Simulationen untersucht, wie es durch den Beschuss der magnetischen Dünnschichtsysteme mit Heliumionen zu einer Änderung der magnetischen Eigenschaften kommt. Es konnte gezeigt werden, dass drei entscheidende Wechselwirkungen der Ionen mit dem Festkörper berücksichtigt werden müssen: die Erzeugung von Gitterfehlstellen, eine Anregung des Festkörpers durch die kinetische Energie der Ionen und die Implantation des Heliums. Die Erzeugung von Gitterfehlstellen ist von Bedeutung, da dadurch Materialeigenschaften, wie beispielsweise die Austauschsteifigkeit, die kristalline Anisotropie oder die Sättigungsmagnetisierung, verändert werden können. Hierzu werden in der Arbeit Abschätzungen zur Fehlstellendichte in ferro- und antiferromagnetischen Schichten präsentiert. Anhand einer Quantifizierung der energetischen Anregung des elektronischen Systems beim Ionenbeschuss konnte ein plausibler Mechanismus für die Relaxation magnetischer Momente im Antiferromagneten während des IBMP präsentiert werden. Weiterhin konnte ein Druckanstieg im Festkörper als Resultat der Heliumimplantation experimentell durch ein Anschwellen der Probe nachgewiesen werden. Es wurde zusätzlich demonstriert, dass dieser interne Druck auch zu einem Magnetovolumeneffekt im Ferromagneten führt und erstmals konnte hierzu der Rückgang der Sättigungsmagnetisierung quantifiziert werden. Weiterführende experimentelle Untersuchungen, die in der Dissertation umfassend präsentiert werden, konnten durch eine Variation der Eindringtiefe von Heliumionen in ein EB-System nachweisen, dass für die Stärke der Grenzflächenaustauschkopplung nicht ausschließlich die Wechselwirkung von Ferro- und Antiferromagnet an der Grenzfläche entscheidend ist, sondern dass auch das Volumen der antiferromagnetischen Schicht einen signifikanten Beitrag leistet. Zum Abschluss der Arbeit werden umfangreiche experimentelle Untersuchungen zur Größenlimitierung von magnetischen Domänenstrukturen, die mittels IBMP erzeugt werden können, und deren Materialabhängigkeiten präsentiert. Mit den dargelegten Ergebnissen konnten entscheidende Mechanismen für den Prozess des IBMP und Bedingungen für die Erzeugung von magnetischen Domänenstrukturen identifiziert werden.