Anisotropic atomic motion in FePt thin films

Abstract

Die Dynamik von Atomen zeigt die thermodynamischen und mechanischen Eigenschaften von Festkörpern in ihrer fundamentalen Form. Die Festkörperphysik teilt die Bewegung der Atome in Schwingungen und absolute Bewegung im Raum ein. In dieser Arbeit wird ein komplettes Bild anisotroper Dynamik in epitaktischen FePt-Nanoschichten präsentiert. Diese spezielle Phase ist ein vielversprechender Kandidat für Festplatten der nächsten Generation. Untersuchungen anisotroper Eigenschaften in der L10 -Struktur sind generell selten, da die tetragonale Symmetrie sogar in Einkristallen unterschiedliche Orientierungen zuläßt. Werden jedoch Schichten epitaktisch auf geeigneten Substraten aufgewachsen, so lassen sich Proben mit einer definierten Gitterorientierung erzeugen. Als Methode wählen wir kernresonante Röntgenstreuung, die uns bestimmte Schichten von Atomen über die Verwendung spezieller Isotope markieren läßt. Der erste Teil behandelt Fe-Selbstdiffusion in epitaktischen L10-geordneten FePt-Nanoschichten. Ein isotopisches Vielschichtensystem aus [57FePt/FePt]10 auf MgO-(110) wurde bei Temperaturen von 653 K bis 743 K ausgeheizt. Mittels kernresonanter Streuung kann hier die Abnahme der isotopischen Überstruktur durch Diffusion beobachtet werden. Die gut definierte Orientierung der Struktur in den Schichten erlaubt es die Anisotropie zu bestimmen. Die Diffusion entlang der a-Richtung der L10 -Struktur ist um zwei Größenordnungen schneller als in der c-Richtung. Dieser gravierende Unterschied stimmt qualitativ mit dem erwarteten Diffusionsmechanismus überein, ist aber bedeutend höher als in vergleichbaren Strukturen wie TiAl. Ein wichtiger Punkt war dabei der Vergleich der Auswertung mit kinematischer bzw. dynamischer Streutheorie, in der auch die Hyperfein-Wechselwirkung berücksichtig wird. Im zweiten Teil wird die Anisotropie der Zustandsdichte der Gitterschwingungen mit inelastischer kernresonanter Streuung untersucht. Die Orientierung der Struktur in den Proben entspricht jener im ersten Teil, wobei hier die gesamte Probe mit 57Fe angereichert ist. Die gemessene Anisotropie stimmt gut mit ab-inito Berechnungen überein und läßt auf anisotrope elastische Eigenschaften schließen. Durch die Oberflächensensitivität der Methode und die Tiefenabhängigkeit der Zustandsdichte aus den ab-initio Rechnungen können wir die letzte Schicht vor der Oberfläche als Pt identifizieren. Die anisotropen dynamischen Eigenschaften der L10-Struktur am Beispiel FePt wurden ausführlich untersucht. Die ungewöhnlich starke Anisotropie der Diffusionskonstante und der Zustandsdichte regt zu weiteren Untersuchungen sowohl bei vergleichbaren Temperaturen als auch in ähnlichen Systemen an.Atomic dynamics contain the thermodynamic and mechanical properties of solids in its fundamental form. Solid state physics separates atomic motion into atomic vibrations (phonons) and spatial net motion (diffusion). In this thesis a complete picture of anisotropic atomic motion in epitaxial L10 -ordered FePt thin films is presented. This specific phase is one of the most promising candidates for next-generation hard drives for its large magnetocrystalline uniaxial anisotropy and excellent thermal stability. In general anisotropic studies in the L10 -structure are scarce due to its tetragonal nature permitting different orientations even in single crystals. However, by growing films epitaxially on suitable substrates, samples with a consistent lattice orientation can be produced. The method of choice is nuclear resonant scattering for its ability to see only the atoms marked by using a special isotope. The first and major part deals with Fe self-diffusion in epitaxial L10-ordered FePt thin films. Isotopic multilayers of [57FePt/FePt]10 on MgO(110) were annealed at temperatures between 653 K and 743 K. Nuclear resonant scattering reveals the decay of the isotopic superstructure due to diffusion. The well-defined orientation of the lattice in FePt-thin films allows to resolve the strong anisotropy of diffusion in the tetragonal structure. The diffusion along the a-axes of the L10 structure is up to two orders of magnitude faster than along the c-axis, which is in line with the commonly assumed diffusion mechanism in this structure, but the anisotropy is much higher than in comparable structures such as TiAl. An essential subtopic of this study was to compare the classical kinematical evaluation to an analysis employing the full dynamical scattering theory including the hyperfine parameters of the nuclear resonances. In the second part the anisotropy of the phonon density of states is investigated by inelastic nuclear resonant scattering. The orientation of the structure in the sample is the same as above, in this case however the whole sample is enriched with 57 Fe. The measured anisotropy is in good agreement with ab-initio calculations, and suggests significant anisotropy in the elastic properties of FePt in particular, but L10 -phases in general. Additionally depth-dependent ab-initio calculations show significant differences in the density of states. The strong surface sensitivity of the grazing incidence geometry of the experiment enabled us to identify the top atomic layer made up of Pt. Overall the anisotropic dynamic properties of the L10 -structure, on FePt as the model system, are thoroughly investigated. The strong anisotropy in the diffusion constant and the phonon density of state encourages further studies at comparable thermal energies as well as on different systems