Theoretical investigations of magneto-optical properties of multi-layer systems

Abstract

Die Gründe, magneto-optische Materialeigenschaften zu studieren reichen von Fragestellungen der Grundlagenforschung bis hin zu technologischen Anwendungen. Der magneto-optische Kerr Effekt (MOKE) spiegelt sehr empfindlich die magnetischen Aspekte der elektronischen Struktur wider. Im Rahmen dieser Dissertation werden die magneto-optischen Eigenschaften mit Hilfe der spin-polarisierten relativistischen abgeschirmten Korringa-Kohn-Rostoker Methode, der Luttinger Formel für finite Photonenenergien und einem klassischen optischen Zugang, der alle Reflexionen und Interferenzen in Betracht zieht, berechnet.<br />Als erstes wird ein magnetischer Reorientierungsübergang anhand von Fe_n/Au studiert. Sowohl der experimentelle Befund als auch theoretische Anisotropieberechnungen zeigten die Reorientierung der Grundzustandsmagnetisierung von einer senkrechten zu einer parallelen Oberflächenmagnetisierung, wenn die Eisendicke 3 Monolagen überschreitet. Es stellte sich heraus, dass die Analyse mit Hilfe des ab-initio berechneten MOKE bestens dafür geeignet ist, das Verständnis über dieses physikalische System zu vertiefen. Aber nicht nur der Reorientierungsübergang wurde untersucht, darüber hinaus wurde auch die Geometrieabhängigkeit des MOKE dokumentiert.<br />Die Kopplung zweier magnetischer Schichten wurde in Abhängigkeit von der Dicke der paramagnetischen Spacer-Schicht als zweites Beispiel anhand von Cu_4 Ni_8 Cu_n Ni_9 / Cu(100), n=2,...,10 untersucht.<br />Die Oszillationen des MOKE stimmen sehr gut mit dem Verhalten der berechneten Zwischenlagenaustauschkopplungsenergien (inter-layer exchange coupling (IEC) energies) überein. Ein interessantes Ergebnis dieser Untersuchung ist, dass der MOKE nicht einfach nur mit dem magnetischen Gesamtmoment linear verknüpft ist. Aufgrund endlicher Eindringtiefe "sieht" das Licht nicht mehr jede Lage gleich stark, sondern die inneren Lagen viel schwächer.<br />Abschließend wurden CoPt Superstrukturen behandelt, die Zuktunftskandidaten für senkrecht magnetisierte magneto-optische Medien sind.<br />

There exist many reasons for studying magneto-optical material properties of solids and surfaces, from a fundamental as well as from a technological point of view because the magneto-optical Kerr effect (MOKE) is extremely sensitive to the magnetic aspects of the electronic structure. In this thesis the magneto-optical properties are investigated theoretically by using the spin-polarized relativistic screened Korringa-Kohn-Rostoker method, the Luttinger formula for finite photon frequencies and a classical optical approach that takes into account multiple reflections and interferences.<br />First, the studies were devoted to a magnetic reorientation transition in Fe_n /Au(100). Experimental investigations and theoretical magnetic anisotropy energy calculations show that the equilibrium magnetization turns from out-of-plane to in-plane as the iron thickness exceeds three mono-layers. The results showed that the analysis of the reorientation transition by means of the ab-initio magneto-optical Kerr effect is very well suited to augment our understanding of physical properties in this system.<br />Not only the description of this transition was the topic there, but also the dependence of the MOKE on the geometry was analyzed in some detail.<br />Second, the magnetic inter-layer exchange coupling in Cu_4 Ni_8 Cu_n Ni_9 / Cu(100), n=2,...,10 was discussed in terms of the ab-initio calculated MOKE. The occurring oscillations in the Kerr angles with respect to the spacer thickness resemble closely those for the inter-layer exchange coupling energy. As an interesting result it was observed that the Kerr signals are found to be not direct proportional to the total magnetic moment. Due to the finite penetration depth of the light, weighted layer-resolved magnetic moments have to be considered, in order to assign at least indirectly the size of the Kerr angles.<br />Finally an example from technology, a CoPt superstructure being a candidate to become a future material for perpendicular magneto-optical recording, was discussed.