Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / The exchange bias (EB) phenomen occurs due to the coupling between ferromagnetic and antiferromagnetic material and the main characteristics are the rise of unidirectional anisotropy and the rotational hysteresis in torque curves. In this work we have investigated how the unidirectional anisotropy and the rotational hysteresis are influenced by the change of some characteristics in thin films samples. Among these are the stacking of layers, the roughness at the interface between the two materials, the difference in the ferromagnetic layer thickness and the difference between the antiferromagnetic materials. The study was made by using magnetic torque measurements which were interpreted using a granular model for the EB. The parameters obtained from the fitting of the model to the torque curves has also permitted to reproduce data obtained by different magnetic techniques, especially in samples where the unidirectional anisotropy is greater than the uniaxial anisotropy. In NiFe=IrMn samples, the unidirectional anisotropy is favored by stacking layers, by increasing of the interfacial roughness and by the decrease of the ferromagnetic layer thickness, while the rotational hysteresis is substantially increased as the interfacial roughness increases. For the NiFe=FeMn sample the highest values of unidirectional anisotropy and rotational hysteresis were found, as well as a dependence of these parameters with the measuring magnetic field. / O fenômeno de "exchange bias" (EB) ocorre quando um material ferromagnético está acoplado a um material antiferromagnético e apresenta como características principais o surgimento de uma anisotropia unidirecional e a histerese rotacional em curvas de torque. Nesse trabalho foi investigado como a anisotropia unidirecional e a histerese rotacional são influenciadas pela mudança de algumas características em amostras na forma de filme finos. Entre essas características estão o empilhamento de camadas, a rugosidade na interface entre os dois materiais, a diferença na espessura da camada ferromagnética e a diferença entre os materiais antiferromagnéticos. O estudo foi realizado através de medidas de magnetometria de torque nas amostras, as quais foram interpretadas usando um modelo granular para o EB. Os parâmetros resultantes do ajuste do modelo às curvas de torque permitiram também reproduzir dados obtidos por outras técnicas de caracterização magnética, sobretudo em amostras que apresentam a anisotropia unidirecional maior do que a anisotropia uniaxial. Em amostras de NiFe=IrMn, a predominância da anisotropia unidirecional é favorecida pelo empilhamento de camadas, pelo aumento da rugosidade interfacial e pela diminuição da espessura da camada ferromagnética, enquanto a histerese rotacional apresenta aumento significativo somente com o aumento da rugosidade. Em uma amostra de NiFe=FeMn foram encontrados valores maiores tanto para a anisotropia unidirecional quanto para a histerese rotacional, bem como uma dependência desses com o campo de medida.

Výměnná anizotropie je zajímavý fyzikální jev vznikající na rozhraní antiferomagnetických (AF) a feromagnetických (FM) materiálů, který již je široce používán v elektronickém průmyslu a magnetickém záznamu. Přestože byl tento jev dlouhou dobu intenzivně studován, jeho přesný mechanizmus zatím nebyl uspokojivě vysvětlen. V této práci je představen přehled studií dokumentujících výměnnou anizotropii v tenkých dvojvrstvách, včetně experimentálních výsledků a teoretických modelů. Experimentální úkoly této diplomové práce zahrnovaly jak výrobu, tak měření různých modelových systémů vykazujících výměnnou anizotropii. Dvojvrstva Fe/FeRh, kde vrstva FeRh prochází fázovou přeměnou z AF fáze na FM fázi při 360 K, poskytuje možnost nastavení parametrů výměnné anizotropie. Dále byly zkoumány účinky výměnné anizotropie a tvarové anizotropie v mikrostrukturách Fe/FeRh. Konečně, přítomnost výměnné anizotropie byla zkoumána mezi FM a AF fází koexistujícími během fázové přeměny v nanodrátech FeRh. Vzorky byly vyrobeny pomocí magnetronového naprašování a elektronové litografie. Všechny prezentované systémy byly analyzovány pomocí magnetooptické Kerrovy mikroskopie. Výměnná anizotropie byla úspěšně nalezena v systému Fe/FeRh, přičemž její velikost byla téměř identická co do rozsahu i orientace s výsledky v literatuře, přestože námi vyrobená dvojvrstva měla horší kvalitu FM-AF rozhraní. Bylo také prokázáno, že v tomto systému existuje tzv. tréninkový efekt (Training effect), což je výrazným důkazem existence výměnné anizotropie. U nanodrátů bylo změřena významná výměnná anizotropie mezi koexistujícími fázemi FM a AF během fázové přeměny.

Die Beeinflussung der Magnetisierungsrichtung magnetischer Dünnschichten mittels einer elektrischen Spannung, anstatt eines elektrischen Stromes, ist vielversprechend für die energieeffizientere Nutzung magnetischer Bauelemente in der Datenspeicherung und in anderen Technologien. Ein neuartiger Ansatz für solche magnetoelektrischen Materialien ist die Kontrolle des Magnetismus über elektrochemische Reaktionen. Die elektrische Spannung wird dabei über einen flüssigen oder festen Elektrolyten an die magnetische Schicht angelegt, und elektrochemische Grenzflächenreaktionen führen zur reversiblen Kontrolle magnetischer Eigenschaften. Bisher wurden dazu hauptsächlich Schichten mit senkrechter magnetischer Anisotropie untersucht und zur Charakterisierung nur die Magnetisierungskurven bei angelegter elektrischer Spannung aufgenommen. Für ein tieferes Verständnis der zugrunde liegenden Mechanismen ist eine zusätzliche Untersuchung der magnetischen Mikrostruktur notwendig. Im Rahmen der Arbeit wurde eine elektrochemische Zelle für flüssige Elektrolyten entwickelt, die mit magneto-optischer Kerr-Mikroskopie kompatibel ist. Mit dieser Messzelle wurden in situ Untersuchungen des Einflusses elektrochemischer Reaktionen auf die magnetischen Eigenschaften von FeOx/Fe-Dünnschichtsystemen durchgeführt. Die mittels Sputtern hergestellten FeOx/Fe Schichten zeigen eine uniaxiale magnetische Anisotropie mit der Magnetisierungsrichtung in der Ebene. Winkelaufgelöste Kerr-Mikroskopiemesssungen zeigten einen magnetisch blockierten Zustand entlang der harten Achse, der eine erhöhte Koerzivität und Remanenz aufweist. Dieser konnte auf die Wechselwirkung zwischen geladenen Néel-Domänenwand-Ausläufern zurückgeführt werden. Anhysteretische Messungen entlang der magnetisch harten Achse ermöglichten die Quantifizierung der uniaxialen Anisotropiekonstanten KU. Bei Anlegen einer elektrischen Spannung an die FeOx/Fe Schichten in einem 1 mol/l LiOH Elektrolyten wurde eine reversible elektrochemische Umwandlung von FeOx zu metallischen Fe mittels in-situ Ramanspektroskopie nachgewiesen. Diese Umwandlung führt gleichzeitig zu einer Aufhebung des blockierten magnetischen Zustands. Dadurch konnte ein reversibles An- und Ausschalten der Koerzivität und Remanenz erreicht werden. Über in situ Kerrmikroskopiemessungen konnte nachgewiesen werden, dass gleichzeitig mit der Abnahme der Koerzivität bei der elektrochemischen Umwandlung auch eine Erhöhung von KU und eine Vergrößerung der magnetischen Domänen auftritt. Mit diesen Analysen konnte die Verringerung der Wechselwirkungen zwischen den Néel-Domänenwand-Ausläufern als Ursache für die elektrische Kontrolle der Koerzivität aufgedeckt werden. Weiterhin spielt eine verringerte Pinningkraft der magnetischen Pinningzentren durch die FeOx – Fe-Umwandlung eine Rolle. Die elektrochemische Kontrolle der Koerzivität erlaubte es, bei einem geringen magnetischen Feld ein 180°-Schalten der Magnetisierung über eine elektrische Spannung zu erreichen. Die dazu benötigte Schaltenergie wurde zu 121 mJ pro 38.5 mm2 in 60 s abgeschätzt, was sehr vielversprechend für eine Steigerung der Energieeffizienz magnetischer Bauelemente ist. Die elektrochemische Umwandlung von FeOx zu Fe in 1 mol/l LiOH wurde auf das Schichtsystem FeOx/Fe/IrMn mit unidirektionaler Anisotropie in der Schichtebene angewandt. In diesem System kommt es durch die Kopplung von Ferromagnet/Antiferromagnet zu einer unidirektionalen Verschiebung der Hysterese (Exchange Bias). Hier konnte erstmals eine nichtflüchtige, elektrische Kontrolle des Exchange Bias erreicht werden. Mit XPS und dem Vergleich mit einem Model für den Exchange Bias wurde die elecktrochemisch-induzierte Schichtdickenvariation des Ferro-magneten als Ursache aufgedeckt. Die elektrochemische Kontrolle des Exchange Bias ermöglichte eine laterale Strukturierung der damit assoziierten magnetischen Domänen. Damit wurde hier eine neue Struk-turierungsmethode für unidirektionale Systeme vorgestellt. Gegenüber konventionellen Strukturierungsmethoden (beispielweise über Ionenbombardierung) kann so eine elektrochemische Strukturierung vorteilhaft sein, da sie bei Umgebungsbedingungen und ohne Vakuumtechnik funktioniert. Eine unidirektionale Anisotropie mit der Magnetisierungsrichtung senkrecht zur Schichtebene wird im System GdOx/Pd/Co/Pd/NiO erzielt. In diesem System wird ausgenutzt, dass das Anlegen einer elektrischen Spannung über elektrochemische-Reaktionen zur H-Anlagerung in den Co- und Pd-Schichten führt, was eine Änderung der senkrechten magnetischen Anisotrope zur Folge hat. Im Schichtsystem mit Co als ferromagnetischer und NiO als antiferromagnetischer Schicht konnte erstmals mittels einer elektrischen Spannung eine senkrecht zur Schichtebene ausgeprägte Exchange-Bias-Hysterese reversibel an- und ausgeschaltet werden. Für mehrere Zyklen werden Effekte beobachtet, die Trainings-Effekten an konventionellen Exchange-Bias-Systemen ähneln. Das Anlegen einer elektrischen Spannung an GdOx/Pd/GdCo/Pd/NiO mit GdCo als ferrimagnetischer Lage führt zu einer Umkehrung der Exchange-Bias-Hysterese und deren vorzeichenbehafteter Verschiebung, welches auf die Umkehrung der magnetischen Ausrichtung der Untergitter zurückgeführt wird.:1 Introduction 1 2 Fundamentals of magnetic thin films 5 3 State of the Art 11 3.1 Voltage control of magnetism 11 3.2 Electrochemical control of magnetism 14 4 Methods 21 4.1 Film fabrication 21 4.2 Ex-situ and in-situ analytical characterization 22 4.3 Electrochemical characterization 24 4.4 Magneto-optical Kerr Magnetometry and Microscopy 25 5 Combining Kerr microscopy and electrochemistry – the in situ cell 29 6 In-plane uniaxial anisotropy and blocked domain state in FeOx/Fe thin films 33 6.1 Microstructure and composition 33 6.2 Magnetically blocked state in pristine FeOx/Fe thin film 34 7 Voltage control of FeOx/Fe thin films with in-plane uniaxial anisotropy 41 7.1 Voltage control of hysteresis by electrochemical reduction of FeOx 41 7.2 Inverse scaling of coercivity and anisotropy revealed by anhysteresis 44 7.3 Voltage control of magnetic domains 46 7.4 Magnetic de-blocking due to change of Néel wall interactions 48 7.5 Switching of magnetization by a low voltage and energy efficiency 51 7.6 Energy efficiency and application potential for data storage and actuation 53 7.7 Interim conclusion 54 8 Voltage control of FeOx/Fe/IrMn thin films with in-plane unidirectional anisotropy 57 8.1 Characterization of the pristine state exchange biased thin films 57 8.2 Electrochemical modification of EB – voltage dependency 58 8.3 Electrochemical modification of EB – time dependency 61 8.4 Model for voltage control of EB by electrochemistry 64 8.5 Non-volatile and reversible voltage control of exchange bias 65 8.6 Nonvolatile change of oxidation state and layer thickness 67 8.7 Electrochemical patterning of EB and magnetic domain state 68 8.8 Interim conclusion 70 9 Voltage control of magnetic thin films with perpendicular unidirectional anisotropy 73 9.1 Co thin films with perpendicular unidirectional anisotropy 73 9.2 Voltage control of EB in Co/Pd/NiO thin films 73 9.3 Interim conclusion 81 9.4 Voltage control of ferrimagnetic GdCo/Pd/NiO thin film 81 10 Evaluation with regard to perspective applications 83 11 Summary 87 12 Appendix 93 References 107 List of Figures 121 Publication List 123 Acknowledgments 125 Symbols 127 Statement of Authorship 129