Master's Thesis

Exchange bias in metamagnetic heterostructures

Final Thesis 9.93 MB

Author of thesis: Ing. Oleksii Zadorozhnii

Acad. year: 2020/2021

Supervisor: Ing. Vojtěch Uhlíř, Ph.D.

Reviewer: Ing. Oldřich Schneeweiss, DrSc.

Abstract:

Exchange bias is an intriguing physical phenomenon occuring at the interface of antiferromagnet (AF) and ferromagnet (FM) materials, which has already been widely applied in electronics and magnetic recording industry. Despite being intensely studied for a long time, the exact mechanism behind it remains an unsettled matter. This work presents an overview of the relevant studies documenting exchange bias in thin film bilayer systems, including both experimental evidence and theoretical models developed. The experimental tasks of this diploma thesis covered both manufacturing and measurement of different exchange bias model systems. An Fe/FeRh bilayer (here the FeRh layer features a phase transition from AF to FM at 360K), provides convenient tunability of the exchange bias. Next, the exchange bias and shape anisotropy effects were investigated in Fe/FeRh microstructures. Lastly, the presence of exchange bias was investigated between the coexisting FM and AF phases in submicron FeRh nanowires. The samples were fabricated using magnetron sputtering and E-beam lithography. All the presented systems were analyzed using Magneto-Optical Kerr Effect microscopy. Exchange bias was successfully found in the Fe/FeRh system nearly identical in magnitude and orientation to the results in literature, having an inferior FM-AF interface quality. Training effect as well as rotational asymmetry were also proven to exist within this system, solidifying the presence of exchange bias. In nanowires, significant exchange bias was measured between the coexisting FM and AF phases during cooling from the FM phase to the AF phase. 

Keywords:

exchange bias, exchange anisotropy, unidirectional anisotropy, training effect, FeRh, metamagnetic, nanowires, bilayers, thin film, magnetism, phase coexistence

Date of defence

14.06.2021

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Po otázkách oponenta bylo dále diskutováno: Morfologie připravených nanostruktur. Zobrazení nejistot měření v grafech. Student otázky zodpověděl.

Language of thesis

English

Faculty

Department

Study programme

Physical Engineering and Nanotechnology (N-FIN-P)

Composition of Committee

prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc. (předseda)
prof. RNDr. Miroslav Liška, DrSc. (místopředseda)
prof. RNDr. Petr Dub, CSc. (člen)
prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Radek Kalousek, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Jiří Komrska, CSc. (člen)
prof. RNDr. Pavel Zemánek, Ph.D. (člen)
doc. Mgr. Adam Dubroka, Ph.D. (člen)
prof. Mgr. Dominik Munzar, Dr. (člen)
RNDr. Antonín Fejfar, CSc. (člen)
prof. RNDr. Jiří Spousta, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Stanislav Průša, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Vojtěch Uhlíř, Ph.D.

Diplomová práce se věnuje problematice výměnné anizotropie v různých modelových systémech. Přestože je tento jev na rozhraní feromagnetických (FM) a antiferomagnetických (AF) materiálů po desetiletí podrobně studován a dokonce využíván v praxi, mechanizmy ovlivňující tuto interakci na mikroskopické úrovni nejsou uspokojivě popsány a různé materiálové systémy, popř. různé postupy jejich přípravy, dávají nejednotné výsledky. Autor se v této oblasti dokázal skvěle zorientovat a připravil velmi detailní a ucelený přehled současného stavu poznání ve třetí kapitole diplomové práce. Přes problémy s dostupností depozičních technik byl schopen připravit všechny plánované vrstevnaté i litograficky strukturované systémy. Kreativní přístup k vytvoření dvojvrstev Fe/FeRh v UHV aparatuře navíc přinesl překvapivá zjištění v porovnání s publikovanými daty. Unikátní výsledky byly získány prokázáním výměnné anizotropie mezi koexistující FM a AF fází v nanodrátech ze FeRh, kde by ovšem rozsah provedených měření mohl být větší. Práce je vypracována na velmi dobré formální a grafické úrovni. Bez váhání ji doporučuji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod B
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A
Display more

Grade proposed by supervisor: A

Diplomová práce má za cíl hlubší porozumění problematiky výměnné anizotropie vyskytující se v materiálu na rozhraní oblastí s feromagnetickým a antiferomagnetickým  uspořádáním. Práce je zaměřena na  přípravu metamagnetických heterostruktur ve formě kombinace feromagnetických a antiferomagnetických tenkých vrstev, přípravu struktur s laterálně definovanými rozhraními s feromagnetickým a antiferomagnetickým uspořádáním a zejména na analýzu výměnné anizotropie studovanou pomocí magneto–optických měření. Některé vzorky byly podle práce připraveny jinými členy týmu spolupracovníků.  Všechny prezentované systémy byly analyzovány pomocí magnetooptické Kerrovy mikroskopie (MOKE).
Výměnná anizotropie byla úspěšně nalezena v systému Fe/FeRh, přičemž její velikost byla téměř identická co do rozsahu i orientace s výsledky v literatuře.
Bylo také prokázáno, že v tomto systému existuje tzv. tréninkový efekt.
U nanodrátů bylo změřena významná výměnná anizotropie mezi koexistujícími fázemi FM a AF během fázové přeměny.
V úvodu je práce je velmi dobře zpracovaná obsáhlá rešerše aktuálních poznatků o výměnné anizotropii v metamagnetických heterostrukturách  První část práce se zdá být zaměřena na ověření výsledků uvedených v publikaci I. Suzuki et al. Appl. Phys. Let. 105 (2014) 172 401 na materiálech připravovaných na pracovišti autora.
Diplomová práce je vypracována na velmi dobré formální i odborné úrovni. Autor prokázal obsáhlé znalosti o výměnné anizotropii, schopnosti provádět náročné experimentální práce a analyzovat naměřené výsledky. Splnil úkoly v zadání diplomové práce. Práci doporučuji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. - Jak byla kontrolována struktura a chemické složení studovaných vzorků? - Byla pozorována oxidace povrchové vrstvy Fe? - Jak je definována drsnost povrchu (obr. 3.12) ? - Jak byla řešena problematika demagnetizačního faktoru v případě MOKE experimentů na drátku? - Jak byly analyzovány výsledky MOKE (např. obr. 5.21)? Jakou funkcí byla prokládána experimentální data? - Byl tréninkový efekt doprovázen změnami ve struktuře vzorku, např. ve výskytu typu a obsahu strukturních defektů?
Display more

Grade proposed by reviewer: A