Doktorarbeit_Mairoser.pdf - OPUS - Universität Augsburg

6. In situ Untersuchung der magnetischen Ordnung dünner Eisenschichten
Beim Superparamagnetismus liegen Nanopartikel vor, die jeweils eine einzelne magnetische
Domäne bilden. Es ergibt sich aber keine ferromagnetische Ordnung, da keine
ausreichende Kopplung zwischen den Partikeln vorliegt. Diese besitzen eine magnetisch
leichte Achse. Die Ausrichtung des magnetischen Moments kann zwischen den
Zuständen parallel und antiparallel dazu oszillieren. Die typische Zeitskala ist durch
die Spin-Flip-Zeit
τ = τ 0 e ∆
k B T
(6.1)
gegeben [3]. Hierbei bezeichnet T die Temperatur, k B die Boltzmann-Konstante, ∆
die Energiebarriere für die Ummagnetisierung und 1 τ 0
die ferromagnetische Resonanzfrequenz,
die in der Größenordnung von 1 GHz liegt. Ist die Messzeit deutlich größer
als die Spin-Flip-Zeit, beträgt die Magnetisierung im Mittel 0. Dies ist für hohe Temperaturen
gegeben. Im umgekehrten Fall für deutlich geringere Messzeiten als Spin-
Flip-Zeiten wird eine endliche Magnetisierung gemessen. Bei der Blocking-Temperatur
sind beide Zeiten identisch. Daher ist diese Temperatur auch keine Materialkonstante,
sondern von der Messmethode abhängig. Die Feldkühlungsexperimente lassen sich
wie folgt erklären. Wird die Probe im Magnetfeld abgekühlt, können sich die magnetischen
Momente entlang des externen Magnetfelds ausrichten. Somit ergibt sich
eine endliche Magnetisierung. Für die Messung zu höheren Temperaturen hin spielen
thermische Fluktuationen eine wichtige Rolle, sodass M(T ) abnimmt – trotz einer
Beibehaltung des externen Magnetfelds. Wird dagegen im Nullfeld abgekühlt, können
sich die magnetischen Partikel frei ausrichten, sodass die Nettomagnetisierung gegen
null geht. Die Ursache hierfür ist eine fehlende Kopplung untereinander. Für sehr tiefe
Temperaturen ist die Spin-Flip-Zeit nach Gleichung 6.1 so groß, dass sich die Partikel
trotz des zur Messung angelegten externen Magnetfelds zuerst nicht ausrichten
können; sie sind geblockt. Für höhere Temperaturen wird die Spin-Flip-Zeit dann immer
kürzer, sodass sich die Partikel in Richtung des externen Magnetfelds ausrichten
können. Dies ergibt einen Anstieg in M(T ). Nach dem Überschreiten der Blocking-
Temperatur ist die Spin-Flip-Zeit geringer als die Messdauer. Somit können mehrere
Ummagnetisierungen auftreten, die die gemessene Nettomagnetisierung absenken
[3, 151].
Aus dem für die Dickenserie auftretenden superparamagnetischen Verhalten lässt sich
auf ein Insel- bzw. Stranski-Krastanov-Wachstum schließen. So bilden die einzelnen
aus Eisenatomen bestehenden Inseln zu Beginn noch keinen homogenen Film und
sind daher nicht untereinander vernetzt (Kapitel 2.2). Dadurch ist auch kein homogener
magnetischer Film vorhanden, in dem sich ferromagnetische Domänen ausbilden
können. Die einzelnen Inseln bilden aber jeweils eine einzelne Domäne, was zum beschriebenen
superparamagnetischen Verhalten führt. Für den dünnsten Film könnte
sich ein durchgehender Film gebildet haben, der sowohl parallel als auch senkrecht
zum externen Magnetfeld ein paramagnetisches Verhalten zeigt (Abbildung 6.1). Es
ergibt sich aber kein superparamagnetisches Verhalten (Abbildungen 6.2 und 6.3).
Dies deutet entweder auf zu kleine Inseln für die Ausbildung des Superparamagnetismus
oder auf das Stranski-Krastanov-Wachstum hin. Im letzteren Fall hätte sich eine
90