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Band structure of Heusler compounds studied by photoemission and tunneling spectroscopy [Elektronische Ressource] / Elena Arbelo Jorge

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Band structure ofHeusler Compounds studied byPhotoemission and TunnelingSpectroscopyDissertationzur Erlangung des GradesDOKTOR DER NATURWISSENSCHAFTENam Fachbereich 08der Johannes Gutenberg-Universit¨atin MainzElena Arbelo Jorgegeboren in Santa Ursula, Tenerife, SpainMainz, 2011“Scientific knowledge is a body ofstatements of varying degrees of certainty,some most uncertain, some nearly sure,none absolutely certain”(R. P. Feynman)AbstractHeusler compounds are key materials for spintronic applications. They have at-tracted a lot of interest due to their half-metallic properties predicted by bandstructure calculations.The aim of this work is to evaluate experimentally the validity of the predic-tions of half metallicity by band structure calculations for two specific Heuslercompounds, Co FeAl Si and Co MnGa. Two different spectroscopy methods2 0.3 0.7 2for the analysis of the electronic properties were used: Angular Resolved Ultra-violet Photoemission Spectroscopy (ARUPS) and Tunneling Spectroscopy.Heusler compounds are prepared as thin films by RF-sputtering in an ultrahigh vacuum system.For the characterization of the samples, bulk and surface crystallographic andmagnetic properties of Co FeAl Si and Co MnGa are studied. X-ray and elec-2 0.3 0.7 2tron diffraction reveal a bulk and surface crossover between two different typesof sublattice order (from B2 to L2 ) with increasing annealing temperature.

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Published 01 January 2011
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Language English
Document size 7 MB

Band structure of
Heusler Compounds studied by
Photoemission and Tunneling
Spectroscopy
Dissertation
zur Erlangung des Grades
DOKTOR DER NATURWISSENSCHAFTEN
am Fachbereich 08
der Johannes Gutenberg-Universit¨at
in Mainz
Elena Arbelo Jorge
geboren in Santa Ursula, Tenerife, Spain
Mainz, 2011“Scientific knowledge is a body of
statements of varying degrees of certainty,
some most uncertain, some nearly sure,
none absolutely certain”
(R. P. Feynman)Abstract
Heusler compounds are key materials for spintronic applications. They have at-
tracted a lot of interest due to their half-metallic properties predicted by band
structure calculations.
The aim of this work is to evaluate experimentally the validity of the predic-
tions of half metallicity by band structure calculations for two specific Heusler
compounds, Co FeAl Si and Co MnGa. Two different spectroscopy methods2 0.3 0.7 2
for the analysis of the electronic properties were used: Angular Resolved Ultra-
violet Photoemission Spectroscopy (ARUPS) and Tunneling Spectroscopy.
Heusler compounds are prepared as thin films by RF-sputtering in an ultra
high vacuum system.
For the characterization of the samples, bulk and surface crystallographic and
magnetic properties of Co FeAl Si and Co MnGa are studied. X-ray and elec-2 0.3 0.7 2
tron diffraction reveal a bulk and surface crossover between two different types
of sublattice order (from B2 to L2 ) with increasing annealing temperature. X-1
ray magnetic circular dichroism results show that the magnetic properties in the
surface and bulk are identical, although the magnetic moments obtained are 5 %
below from the theoretically predicted.
By ARUPS evidence for the validity of the predicted total bulk density of
states (DOS) was demonstrated for both Heusler compounds. Additional ARUPS
intensity contributions close to the Fermi energy indicates the presence of a spe-
cific surface DOS. Moreover, it is demonstrated that the crystallographic order,
controlled by annealing, plays an important role on brodening effects of DOS
features. Improving order resulted in better defined ARUPS features.
Tunneling magnetoresistance measurements of Co FeAl Si and Co MnGa2 0.3 0.7 2
based MTJ’s result in a Co FeAl Si spin polarization of 44 %, which is the2 0.3 0.7
highest experimentally obtained value for this compound, although it is lower
than the 100 % predicted. For Co MnGa no high TMR was achieved.2
Unpolarized tunneling spectroscopy reveals contribution of interface states
close to the Fermi energy. Additionally magnon excitations due to magnetic
impurities at the interface are observed. Such contributions can be the reason
of a reduced TMR compared to the theoretical predictions. Nevertheless, for
energies close to the Fermi energy and for Co MnGa, the validity of the band2
structure calculations is demonstrated with this technique as well.Kurzfassung
Heusler-Verbindungen sind wichtige Materialen fu¨r Spintronik-Anwendungen. Sie
sind wegen ihrer durch Bandstrukturrechnungen vorhergesagten halbmetallischen
Eigenschaften von besonderem Interesse.
Ziel dieser Arbeit ist, die Gu¨ltigkeit der Vorhersagen der Halbmetallizit¨at
durch Bandstrukturrechnungen fu¨r zwei spezifische Heusler-Verbindungen,
Co FeAl Si und Co MnGa experimentell zu u¨berpru¨fen. Fu¨r die Analyse der2 0.3 0.7 2
elektronischen Eigenschaften wurden zwei verschiedene Spektroskopie-Methoden
verwendet: Winkelaufgel¨oste UV-Photoelektron-Spektroskopie (ARUPS) und
Tunnelspektroskopie.
Die Heusler-Verbindungen werden durch RF-Sputterdeposition als du¨nne Fil
me prepariert. Fu¨r Tunnelspectroskopie werden magnetische Tunnelkontakte her-
gestellt.
Um die Spektroskopie-Ergebnisse interpretieren zu ko¨nnen, werden die kristal
lographischen und magnetischen Eigenschaften von Volumen und Oberfla¨che der
¨Filme untersucht. Ro¨ntgenbeugung und Elektronenbeugung zeigen eine Ubergang
zwischen zwei Arten von Untergitterordnung (von B2 nach L2 ) im Filmvolumen1
und an der Ober߬achen mit zunehmender Temper-Temperatur. Messungen des
Ro¨ntgen-magnetischen-zirkular-Dikroismus Ergebnisse zeigen, dass die magnetis-
chen Eigenschaften an der Oberfla¨che und im Volumen identisch sind. Allerdings
sind die ermittelten magnetischen Momente um 5 % kleiner als die theoretisch
vorhersagen.
Mit ARUPS wird die Gu¨ltigkeit der vorhersagten Volumen-Zustandsdichte fu¨r
beide Heusler-Verbindungen demonstriert. Zusa¨tzliche ARUPS Intensit¨at in der
N¨ahe der FermiEnergie zeigt das Vorhandensein einer speziellen Ob erfla¨chen-
Zustandsdichten (DOS) an. Daru¨ber hinaus wird demonstriert, dass die kristal
lographische Ordnung, die durch Tempern kontrolliert wird, eine wichtige Rolle
fu¨r Verbreitungseffekte in der Zustandsdichte spielt. Eine Verbesserung der Ord-
nung ergibt schmaleren Strukturen in der Zustandsdichte.
Tunnelmagnetowiderstands-Messungen an den Kontakten zeigen fu¨r
Co FeAl Si eine Spinpolarisation von 44 %, den h¨ochsten experimentellen2 0.3 0.7
Wert fu¨r diese Verbindung, obwohl deutlich niedriger als die theoretisch vorherge-
sagen 100 %. Fu¨r Co MnGa wird kein hoher TMR erreicht.2
Unpolarisierte Tunnelspektroskopie zeigt eine spezielle Grenz߬ache-Zustands-
dichte in der N¨ahe der FermiEnergie. Zusa¨tzlich wurde Beitra¨ge von Magnon-An-
regungen aufgrund von magnetische Verunreinigungen an der Grenz߬ache beo-
bachten. Solche Beitra¨ge ko¨nnen der Grund fu¨r einen verminderten TMR im
Vergleich zu den theoretischen Vorhersagen sein. Trotzdem wird die Gu¨ltigkeit
der Bandstrukturrechnungen in der N¨ahe der FermiEnergie fu¨ r Co MnGa auch2
mit dieser Technik demonstriert.Contents
1 Introduction 1
2 Theoretical background 7
2.1 Density functional theory and approximations . . . . . . . . . . . 7
2.1.1 Approximations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 Half metallic ferromagnets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.3 Heusler Compounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.3.1 Effect of lattice parameter changes . . . . . . . . . . . . . 28
2.3.2 Temperature dependence of the spin polarization . . . . . 28
2.3.3 Spin-Orbit coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.3.4 Effect of disorder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.3.5 Effect of doping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.3.6 Defects and impurities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.4 Experimental techniques to determine half metallicity . . . . . . . 33
2.4.1 Spin-resolved positron-annihilation . . . . . . . . . . . . . 33
2.4.2 Spin polarized (inverse) photoemission . . . . . . . . . . . 34
2.4.3 Tunneling spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3 Preparation 43
3.1 Deposition system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2 Deposition Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.2.1 Molecular Beam Epitaxy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.2.2 Sputtering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.3 Preparation procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.3.1 Substrate preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.3.2 MgO buffer layer deposition . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.3.3 Co FeAl Si and Co MnGa deposition . . . . . . . . . . 502 0.3 0.7 2
3.3.4 Capping layer deposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514 CONTENTS
4 Characterization 53
4.1 Bulk properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.1.1 X-ray diffraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.1.2 Degree of disorder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.1.3 Magnetic properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.2 Surface properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.2.1 Reflection high-energy electron diffraction (RHEED) . . . 72
4.2.2 X-ray Magnetic Circular Dichroism (XMCD) . . . . . . . . 75
5 Ultraviolet Photoemission Spectroscopy 85
5.1 Theoretical background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.1.1 Three step model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.1.2 One step model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
5.2 Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
5.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
6 Tunneling Spectroscopy 107
6.1 Theoretical background of the TMR effect . . . . . . . . . . . . . 107
6.1.1 Relation between spin polarization and TMR . . . . . . . 107
6.1.2 Influence of the barrier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
6.1.3 Influence of the interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
6.1.4 Defects and impurities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
6.2 Theoretical background of tunnelling spectroscopy . . . . . . . . . 114
6.3 Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
6.3.1 Magnetic tunnelling junction design . . . . . . . . . . . . . 118
6.3.2 Morphology analysis by Scanning Tunneling Microscopy
(STM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
6.3.3 Lithography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
6.3.4 Exchange Bias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
6.3.5 Measurement technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
6.4 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
6.4.1 Tunneling Magneto-Resistance (TMR) . . . . . . . . . . . 129
6.4.2 Tunneling Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
6.4.3 Comparison between Experiment and Numerical Calculations143
7 Summary 153