Abhängigkeit des Exchange-Bias Feldes und des Koerzitivfeldes von der mittels Röntgendiffraktometrie gemessenen Kornvolumenverteilung des Antiferromagneten in Exchange-Bias Schichtsystemen

Der Exchange-Bias Effekt wird in vielen technischen Anwendungen, wie z.B. in magnetischen Speichermedien oder in Magnetsensorköpfen zum Pinnen der Magnetisierungsrichtung der Referenzelektrode, eingesetzt. Dieser Effekt tritt ausschließlich in dünnen Schichtsystemen, in denen sich ein dünner Ferromagnet mit einem dünnen Antiferromagneten in Kontakt befindet, auf und bewirkt eine Verschiebung der Hysteresekurve entlang der Magnetfeldachse. Solche Exchange-Bias Schichtsysteme können mittels Ionenbeschuss, d.h., leichte Ionen dringen senkrecht zur Schichtoberfläche ein, magnetisch strukturiert werden. Entsprechend strukturierte Exchange-Bias Systeme werden in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. A. Ehresmann u.a. zum gerichteten Transport magnetischer Mikropartikel verwendet. Mithilfe dieser beweglichen Mikropartikel können z.B. kleine Mengen von Flüssigkeiten gemischt werden. Für die optimale Anwendung des Exchange-Bias Effekts ist es notwendig, diesen theoretisch zu verstehen, um Exchange-Bias Schichtsysteme mit den gewünschten Eigenschaften gezielt herstellen zu können.

Mit der vorliegenden Dissertation wurden zwei Ziele verfolgt: Zum einen wurde eine Methode gefunden, mit der die antiferromagnetische Kornvolumenverteilung von polykristallinen Exchange-Bias Schichtsystemen bestimmt wurde, ohne die Probe dabei zu beschädigen. Dazu eignet sich die Röntgendiffraktometrie, da mit ihr die Kornvolumenverteilung zerstörungsfrei gemessen werden kann und das charakterisierte Schichtsystem anschließend in anderen Experimenten, z.B. zum Transport magnetischer Mikropartikel, weiter benutzt werden kann. Zum anderen wurde ein Modell entwickelt, mit dem das Exchange-Bias Feld und das Koerzitivfeld in Abhängigkeit von der Kornvolumenverteilung im Antiferromagneten berechnet wurde. Eine vielversprechende Gruppe von Modellen zur Erklärung des Exchange-Bias Effekts für polykristalline Schichtsysteme verknüpft diese beiden charakteristischen Felder mit einer Verteilung von Energiemaxima zwischen zwei Minima der freien magnetischen Energie der antiferomagnetischen Körner, die mit dem Ferromagneten koppeln. Im Verlauf der Arbeit hatte sich herausgestellt, dass es auch wichtig ist, die magnetische Historie des Schichtsystems zu berücksichtigen, da sich die Besetzungen der beiden Minima der freien magnetischen Energie des Antiferromagneten mit der Zeit veränderten. Für diese Änderungen können die thermische Energie und die Umkehr der Magnetisierung des Ferromagneten sowie die damit folgende Veränderung der Energielandschaft, z.B. während einer Hysteresemessung, verantwortlich sein. Außerdem wurde beachtet, dass die antiferromagnetischen Körner, die mit dem Ferromagneten koppeln, in bestimmten Volumenbereichen zum Exchange-Bias Feld und zum Koerzitivfeld beitragen. Darüber hinaus sollte es mithilfe des Modells auch möglich sein, Feldkühlungsprozesse und Hysteresemessungen mit verschiedenen Parametern sowie die Temperaturabhängigkeit des Exchange-Bias Effekts zu simulieren.