Autoren:	Staab, Maximilian
Titel:	Magnetisierungs- und spinsensitive Real- und Impulsraummikroskopie an dünnen Cobalt-Filmen in Laser-Photoemission
Online-Publikationsdatum:	6-Apr-2017
Erscheinungsdatum:	2017
Sprache des Dokuments:	Deutsch
Zusammenfassung/Abstract:	Spin-orbit torque (SOT) at surfaces of ferromagnetic materials, in particular the spin-Hall effect and the inverse spin-galvanic effect, has recently become a vivid research field because of its potential application in efficient magnetic storage devices. The microscopic origin of SOT is the spin-orbit induced hybridization of electronic states at so-called hot spots in reciprocal space in combination with the interface induced inversion asymmetry. Besides the SOT the all-optical magnetization switching using circularly polarized light, relying on the spin-orbit hybridization of electronic states, too, enables ultrafast magnetization processes. Recently, the discovery of threshold photoemission magnetic circular dichroism (TPMCD) has offered a new laboratory based investigation method of magnetic thin films. In the present work, we investigate the ferromagnetic domain structure of perpendicularly magnetized fcc Co/Pt(111) films (4.5 monolayers) using photoemission electron microscopy (PEEM) and utilizing TPMCD as a contrast mechanism in order to combine a lateral resolution of better than 100 nm with a large magnetic contrast. The perpendicularly magnetized Co/Pt interfaces, investigated here exemplarily, are the most widely used device components. This work presents a comprehensive study of electronic states near the Fermi level using photoemission spectroscopy. The momentum, energy, and spin-resolved data have led to a deeper understanding of these phenomena and are thereby an important contribution for further development of materials. We have used spin-resolved time-of-flight momentum microscopy as a novel and very efficient method to analyze energy, momentum and spin of photo-excited electrons in an ultimately parallelized detection scheme. This setup enables a complete mapping of the 3D spectral function I(E_B,k_x,k_y), in which E_B is the binding energy, and k_x and k_y are the components of the momentum parallel to the surface. An Ir(001) imaging spin-filter crystal provides mapping of the spin polarization distribution P(E_B,k_x,k_y). Electronic states are excited by femtosecond circularly polarized laser pulses (hν=1.5 eV and 3.1 eV) enabling multi-photon photoemission processes. As a main result we are able to discriminate direct from indirect transitions in the photoemission process, which is important information for the interpretation of earlier total electron yield data. Moreover, we find a significant change of the spectral density function induced by a structural phase transition occurring in ultrathin Co films with increasing thickness. Indirect transitions involving the interaction with lattice vibrations substantially contribute to the photoemission intensity. These indirect transitions possess a magnetic circular dichroism as well as a considerable spin polarization, both properties being caused by the large spin-orbit interaction at the Co interface. Even more, by reducing the work function of the Co/Pt surface by cesiation, we reveal an essential effect that has not been considered in previous work: The existence of an additional resonant two-photon photoemission (2PPE) process. As the origin, we identify an image potential state that possesses a parabolic k-dispersion. The image potential state dominates the 3D spectral function and selects particular initial states for the 2PPE process, depending on the work function. Das Spin-Bahn-Drehmoment (spin-orbit torque) in Oberflächen ferromagnetischer Materialien, im speziellen der Spin-Hall-Effekt und der inverse spingalvanische Effekt, hat sich in den letzten Jahren zunehmend zu einem wichtigen Forschungsfeld entwickelt, da es potentielle Anwendungen für effiziente magnetische Datenspeicher verspricht. Der mikroskopische Ursprung des SOT ist die spin-bahn-induzierte Hybridisierung elektronischer Zustände an "hot spots" im reziproken Raum, in Kombination mit grenzflächen-induzierter, gebrochener Inversionssymmetrie. Ferner ermöglicht das Umschalten der Magnetisierung mit Hilfe von zirkular polarisiertem Laserlicht (all-optical switching), aufgrund der Spin-Bahn-Hybridisierung elektronischer Zustände, ultraschnelle Magnetisierungsprozesse. Die Entdeckung des magnetischen Zirkulardichroismus in Schwellenphotoemission (threshold photoemission magnetic circular dichroism) ermöglicht eine neue Untersuchungsmethode für dünne, magnetische Filme, die im Labor durchgeführt werden kann. In der vorliegenden Arbeit wurde die ferromagnetische Domänenstruktur senkrecht magnetisierter fcc Co/Pt(111)-Filme (4,5 Monolagen) mit Hilfe von Photoemissions-Elektronenmikroskopie (PEEM) untersucht, wobei der TPMCD als Kontrastmechanismus verwendet wurde. Dadurch wird eine räumliche Auflösung von besser als 100 nm in Kombination mit einem guten magnetischen Kontrast erreicht. Die senkrecht magnetisierten Co/Pt-Grenzflächen sind das am weitesten verbreitete System für die Forschung an dieser Art der Speicheranwendung. Diese Arbeit präsentiert umfassende Studien der elektronischen Zustände nahe der Fermi-Energie mit Hilfe von Photoemissionsspektroskopie. Die impuls-, energie- und spin-aufgelösten Daten haben zu einem besseren Verständnis all dieser Phänomene geführt und sind ein wichtiger Beitrag zu einer fortschreitenden Materialentwicklung. Wir verwenden die spin-aufgelöste Flugzeit-Impulsmikroskopie als eine neue und sehr effiziente Methode, um Energie, Impuls und Spin der angeregten Photoelektronen bei bestmöglicher Parallelisierung zu detektieren. Dieser Aufbau ermöglicht eine komplette Darstellung der spektralen Verteilung I(E_B,k_x,k_y), wobei E_B die Bindungsenergie und k_x und k_y die Komponenten des Elektronenimpulses parallel zur Oberfläche bezeichnen. Ein Ir(001) Spinfilter-Kristall ermöglicht die Messung der spektralen Verteilung der Spinpolarisation P(E_B,k_x,k_y). Elektronische Zustände werden von zirkular-polarisierten Laserpulsen mit den Parametern hν=1,5 eV sowie 3,1 eV und 100 fs angeregt, was Multi-Photonen-Photoemissionsprozesse ermöglicht. Als wichtiges Resultat dieser Arbeit ermöglichen diese Messungen die Unterscheidung von direkten und indirekten Photoemissionsübergängen, wodurch die Interpretation vorhergehender Messungen des totalen Photostroms um einen signifikanten Aspekt erweitert wird. Ferner registrieren wir eine deutliche Veränderung der spektralen Verteilung mit zunehmender Filmdicke, welche aus einem damit einhergehenden, strukturellen Phasenübergang resultiert. Indirekte Übergänge, die unter Einbeziehung von Gitterschwingungen ablaufen, leisten einen substanziellen Beitrag zur gemessenen Photoemissionsintensität. Diese indirekten Übergänge tragen sowohl einen magnetischen Zirkulardichroismus, als auch eine beträchtliche Spinpolarisation. Beide Eigenschaften werden durch die große Spin-Bahn-Wechselwirkung an der Co-Grenzfläche hervorgerufen. Ein wesentlicher Effekt, der in allen bisherigen Arbeiten übersehen wurde, konnte mittels Absenkung der Austrittsarbeit durch Deposition von Cs sichtbar gemacht werden. Unter diesen Bedingungen führt ein neuer Zustand zu einer resonanten Erhöhung der Intensität in einem Übergang in Zwei-Photonen-Photoemission (2PPE). Der Zwischenzustand kann aufgrund der parabolischen k-Dispersion als Bildladungszustand identifiziert werden. Der Zustand dominiert die spektrale Verteilung und wählt spezielle Anfangszustände für den 2PPE-Prozess aus, in Abhängigkeit von der Höhe der Austrittsarbeit.
DDC-Sachgruppe:	530 Physik 530 Physics
Veröffentlichende Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Organisationseinheit:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Veröffentlichungsort:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-3866
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000012083
Version:	Original work
Publikationstyp:	Dissertation
Nutzungsrechte:	Urheberrechtsschutz
Informationen zu den Nutzungsrechten:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Umfang:	iv, 117 Seiten
Enthalten in den Sammlungen:	JGU-Publikationen