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Direkte Messung der einachsigen magnetischen Anisotropie aufgedampfter dnner Schichten von Eisen Nickel Permalloy und Kobalt.

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Direkte Messung der einachsigen magnetischen
Anisotropie aufgedampfter dunner Schichten von
Eisen, Nickel, Permalloy und Kobaltl)
Von Z d e n g k M c i l e k 2 ) und W a l t e r S c h i i p p e 1 3 )
Mit 3 Abbildungen
Inhaltsiibersicht
Dunne Eisen-, Nickel-, Permalloy- und Kobaltschichten wurden in einem
Magnetfeld auf geheizte und ungeheizte Unterlagen senkrecht oder schrag
aufgedampft und die Konstanten ihrer einachsigen magnetischen Anisotropie
sowie deren zeitliche Veranderung bei Zimmertemperatur mittels Drehmomentenmessungen bestimmt. Die Untersuchungen zeigen, daR die einachsige
magnetische Anisotropie aus mindestens zwei Anteilen besteht, von denen der
zeitlich veranderliche Anteil mit der spontanen (magnetfeldinduzierten), der
zeitlich konstante mit der gcometrischen Anisotropie bzw. nichtgeometrischen
Spannungsanisotropie identifiziert werden kann. Durch diese Aufteilung und
die Deutung der spontanen Anisotropie als einen durch Storungen hervorgerufenen Nahordnungseffekt lassen sich die experimentellen Ergebnisse
meitgehend erklaren.
1. Einleitung
In diinnen ferromagnetischen Schichten konnen verschiedene Arten der
Anjsotropie auftreten. So lieR sich an einkristallinen Fe-Schichten aus der
Bereichsstruktur eine magnetokristalline Anisotropie wie bei massivem Material nachweisen ( E l s c h n e r und U n a n g s t * ) . Aber auch polykristalline
Schichten sind nicht isotrop, wenn sie unter der Einwirkung eines Magnetfeldes aufgedampft werden. Die dabei auftretende einachsige Anisotropie
zeigten bei Kobalt und Permalloy Blois5) und C o n g e r 6 ) an Hand der Unterschiedlichkeit der Hystereseschleifen in verschiedenen Richtungen, W i l l i a m s
und S h e r w o o d ') an Fe, Ni, Co und deren Legierungen mit Hilfe von Bereichsstrukturuntersuchungen. Die GroRe der Anisotropiekonstanten schatzten
S m i t h 8 ) . O l s o n und P o h m s ) , M i t e h e l l l o ) und andere Autoren unter VerDiese Arbeit wurde am Institut fur Magnetische Werkstoffe, Jena, ausgefiihrt.
Z. M&lek, Physikal. Inst. d . Tschechoslowak. Akad. d. Wiss., Prag.
3, W. S c h u p p e l , Inst. f. Map. Werkst., Jena.
4, B. E l s c h n e r u. D. U n a n g s t , Z. Naturforschg. l l a , 98 (1956).
5, M. S. Blois jr., J . Appl. Phys. 26, 975 (1955).
6 , R. L. C o n g e r , Physic. Rev. 9S, 1752 (1955).
') H. J. W i l l i a m s u. R. c'. S h e r w o o d , J. Appl. I'hys. 28, 548 (1957).
*) D. 0. S m i t h , J. Appl.Phys. 29, 264 (1968).
9, C. D. Olson
u . A . V. P o h m , J. Appl. Phys. 29, 274 (1958).
l o ) L. N. M i t c h e l l , J . Appl. Phys. 29, 286 (1958).
I)
2,
2. Mklek
ti.
11'. Schiippel: Einachsiye rnaynrtische dnisotropie dtixnpr Schichten
253
wendung der allerdings nur fur Ummagnetisierung durch koharente Drehung
giiltigen Bcziehung fur die Anisotropiefeldstarke ab. Direkte Messungcn der
Anisotropiekonstanten an re1at)iv dicken ( 105A. . . 1.06 A) elektrolytisch niedergeschlagenen Fe-Schichten fiihrt'e K o t e l ' n i k o v l 1 ) l 2 ) aus. u b e r Messungen a n
elektrolytisch hergestellten diinnen Ni-Schichten berichteten S t e m m e und
An d r ii 13). Die Anisotropiekonstanten aufgedampfter dunner Permalloyschichten wurden zuerst von An d r a u. a. 14) direkt gemessen; Direktmessungen
an ttufgedampften diinnen Ni-Schichten werden in15) mitgeteilt.
Spat'ere Untersuchurigen lassen annehmen daB zur Entstehung dieser
einachsigen magnetischen Bnisotropie kein BuBeres Magnet,feld erfordcrlich
ist, diese vielmehr ihre Ilrsache in der spontanen R;Iagnet,isierung der Schicht
hat (Spontane Anisot'ropie) 16).
AuBer diescr Anisot'ropie kann bei polykristallinen Schichten durch
schriiges Bedampfen bzw. schragen Einfall starker Warmestrahlung eine
einachsige magnetiwhe Anisot'ropie auftreten, wie K n o r r untl H o f f m a n l 7 )
a n Fe und S m i t l i l B ) an Permalloy gezeigt habcn und zu deren Deutung
F i n e g a n und Hoff manlg) heigetragen habcn (geometrische Anisotropie).
Eine einachsige magnetische Anisot,ropie kann a d e r d e m entstehen, wenn
beim Aufdampfen cine nichtisotropc Spnnnungsverteilung in der Schicht erzeugt' wird. Eine solclie kann durch die Uriterschiedlichkeit'der Ausdehnungskoeffizienten von Schicht und Unterlage bzw. (lurch Magnetostriktion
(Bladesz0))zust,ande kommen (nichtgeometrische Spannungsanisot,ropic).
Die untcr der Einwirkung eines BuBeren Nagnetfeltles enhtehende einachsige magnetische Anisotropie kann nuch erklgrt merden, wenn man nach
W o h If a r t h 21) annimmt, daB das ferromagnetische Material in der Schicht
nicht homogen sondern in Inseln angeordnet ist, die durch Verunreinigungen
voneinander getrennt sind. Cnter der Wirkung des auBeren Feltles nehmen
die ferromagnetischen ,,Teilchen" eine encrgctisch giinstigc, d. h. langliche
Form an (Formanisotropie).
Die Konstanten der cinachsigen Anisotropie ermiesen sich als zeitlich
nicht konstant ; sie lionnen linter dem EinfluB eines Magnetfeldes verrtndert
werden. Dies fantlen bei hoheren Temperaturen (>300 "C) B l o i s 5 ) u.
bei 75 "C Mit,chelllO);spdter zeigte sich, daB dcrart,igeVeriinderungen auch
bei Zimmertemperatur eintreten konnen z z ) 23) 24).
~
N. V. K o t c l ' n i k o v , Dokl. Akad. nauk 113, 97 (19.57).
X. 17. K o t e l ' n i k o v , Fiz. met. i metallored. 6, 222 (1958).
13) 0. S t e m m e u. \T7. A n d r h , Katur
l a ) \V. Andrii, Z. M h l e k , \\'. S c h i i p p c l u . 0. S t e m m e , Saturwiss. 46, 257 (1969).
'5) \V. S c h u p p c l , Z. M h l e k , Saturwiss. 16, 433 (1959).
1 6 ) \V. A n d r h , Z. M&lek, Itr. S c h i i p p e l 11. 0.S t e m m e , J. Appl. Phys. 31, 442
11)
12)
(1960).
17)
18)
19)
*O)
21)
22)
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1969, Dr.-Riedcrer-Verlag GnibH., Stuttpart (im Druck).
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24)
1959, T)r.-Riedcrcr-\i.rli~~
CmbH., Stuttgart (im I h i c k ) .
254
Annalen der Physik. 7 . Folge. Band 6. 1960
In dieser Arbeit sollen die Ergebnisse unserer Direktmessungen der einachsigen magnetischen Anisotropie an aufgedampften diinnen Eisen-, Nickel-,
Permalloy- und Kobaltschichten sowie die der Alterungsmessungen an diesen
Schichten zusammenfassend mitgeteilt werden.
2. Ergebnisse der direkten Messung der Anisotropiekonstanten unmittelbar
nach der Herstellung der Schichten
Das ferromagnetische Material wurde von elektrisch geheizten Wolframwendeln aus verdampft. Auf diese wurde es entweder in Form von Hakchen
gehiingt oder elektrolytisch niedergeschlagen. Letzteres hat den Vorteil, dafl
dLs ferrGmagnetische Material gleichmaflig
1
I iiber die Wendel verteilt ist und somit die
Konzentration unter dem kritischen Wert
bleibt, bei dem starke Legierungsbildung
mit Wolfram einsetzt.
\
'
I
'
',
1
1
i
,
,
Thermostat
Die bei den ersten Versuchen verwendeten
Wendeln waren schraubenformig (Schraubenachse parallel zur Schichtebene) ; spater
benutzten wir korbformige Wendeln, d a
diese einer punktformigen Verdampfungsquelle ahnlicher sind und so definiertere
geometrische Verhaltnisse beim Aufdampfen
gewa hrleisten.
Als Unterlagen dienten optisch polierte
kreisformige Glasplattchen, deren Scitenflhchen beim Aufdampfen abgedeckt wurden.
Die Schichtoberflhche betrug 1,54 cm2. Es
wurden stets gleiehzeitig drei Glasplattchen
bedampft, von denen eines direkt iiber der
Wendel, die beiden anderen symmetrisch
dazu in gleicher Hohe iiber der Wendel
in einem Thermostaten angeordnet waren
(Abb. I). Auf diese Weise traf der Danipfstrahl. unter einem Winkel von annahernd 10"
gegen das Lot auf die beiden auBeren Glasplattchen, von dcnen eines zur Dickenmessung
mittels InterferenzstreifenverseGung diente (Die Dicke der starker bedampften mittleren Schicht wurde aus der Dicke der Randschicht durch
eine den geringeren Abstand zur Wendel und den unterschiedlichen Bedampfungswinkel berucksichtigende Korrektur bestimmt.) Samtliche ferromagnetischen Schichten schiitzte cine unmittelbar nach der Herstellung
aufgedampfte Al-Schicht vor Oxydation.
Der Druck vor dem Aufdampfen lag in der GroBenordnung 10-6Torr.
Das Aufwachsen der Schichten erfolgte mit einer Geschwindigkeit von einigen
10 A/s. Beim Aufdampfen wirkte ein Magnetfeld von etwa 260 Oe parallel
z u r Schichtebene.
2. Mriltk
11.
11'. Akhupprl: Eimchsige magnetische dnisotropi? dunner SchichtcJri
255
Die Anisotrol?iekoiistai:teii wurden mit einer Torsionsanordnung gemessen,
die in 25) nhher beschrieben ist. Die dabei auftretenden Fehler werden an gleicher
Stelle abgeschxtzt. *)
Die in dicsem Kapitel beschriebenen Messungen fanden im allgemeineri
in einem Zeitraum bis zu 5 Stunden nach Herstellung der Sehichten statt,
da fur cine Mcssung bid zu 2 Stunden benotigt werden.
Die Ergebnisse dieser Messungen der Konstanten K* der einachsigen
magnetischen Anisotropie sind in Tab. 1 zusammengestellt. Bei den mit b
hezeichneten Schichten handelt es sich um die durch nahezu senkrechtes, bei
deli a-Schichten um die durch schrages Bedampfen hergestellten Schichten.
Die Temperatur der geheizten Unterlagen betrug 250 "C . . . 300 "C, die tier
iinpeheizten Unterlagen nicht mehr als 30 "C. Die in der 'I'abelle angegebene
mittlere quadratische Streuung nbertrifft die Grenzen der MeBfehler, wird
also durch reale Unterschiede der Anisotropien bei verschiedenen Schichten
vcrursacht. Diese Unterschiede lassen sich auch nicht aus der unterschiedlichen Dicke der Schichten erklaren, denn im untersuchten Schichtdickenbereich (1.50 A . . . 2000 A ) ist keine eindeutige Schichtdickenabhimqigkeit,
von K* feststellbar.
Im folgenden sollen die in Tab. 1 mitgeteilten sowie weitere Ergebnisse
fur die verschiedenen Naterialien getrennt betrachtet werden.
Tabelle 1
Die Mittelwerte der Konstanten K* [lo3 erg em-3] der einachsigen magnetkchen Anisotropic und ihre mittlere Streuung. I n Klammern ist die Zahl der zur &littelbildungherangezogenen Sehichten angegeben
K* [lo3erg em-3]
Natrrial
ub-Schicht
Eisen
Sickrl (99,5y0)
Kickel (99,99yo
Permalloy
( 7 7 %Si)
Kobalt
6,9
5J
0,5
ua-Schicht
6 1,5 (5)
i 2,O (2)
* 0,2 (5)
3,2 & 0,s (11)
21,5
2,s (5)
Als Ausgnrigsmaterial tliente Eisen, welches aus einer Losung von 350 g/1
Fe(X€34)z(S04)z
und 0;25 g/l H,S04 bei einer Stromdichte von 0,027 A/cm2
n u f die Wolframlventleln niedergeschlagen worden war.
Die auf geheizte Unterlagen aufgedampften Schichten (g-Schichten)weisen
im Mittel eine groBere Anisotropie nuf als die auf ungeheizte Unterlageri aufgedampftcn (u,-Schichten),alle a-Schichten eine groBere nls die b-Schichten.
Die Streuung der K*-Werte ist grol3, vor allem bci den ga-Schichten.
z5) 11'. S c h u p p e l , 0. S t r m i n r ~ I
, T.A n d r i i u. %. MBlelr, Fiz. mct. i inetallo\-cd. 8,
S 3 i (1969).
*) A n n i e r k u 11 g 1) e i d e r I< o r r e k t u r : Eine Riederholung der Eiehung des Anisotropiemessers c q a b eine hiihere Einpfindlichkeit ; aus diesem Grunde sind die meisten
in dieser Arbeit mitgeteilten Werte von Anisotropiekonstantcn mit dem Paktor 0,73,
ein kleinrr Teil ]nit rineni Fektor zwisehen 1,0 nnd O , i 3 zii korrigieren.
256
Annulex der Physilz. 7 . Folyr. B a d 6. 196'0
Die Vorzugsachsen aller a-Proben hhufen sich um die Richtung ties beim
Aufdampfen wirkenden Magnetfeldes; das gleiche gilt fur die b-Schichten,
doch streuen ihre Vorzugsachsen sehr stark (bis zu 85" gegen die Richtung
des Magnetfeldes).
Nickel
Beim Aufdampfen voii Nickel gingen wir von zwei verschiedenen Materialien aus. Zunachst benutzten wir technisches Nickel (99,n% Ni, einige Zehntel
Prozent Mn und Mg, Spuren von Cu und Ca), spater reinstes Nickel (99,99% Ni,
spektroskopisch rein), beides in Form von Hakchen.
Aus Tab. 1 ersieht man, dnB die Anisotropie der u-Schichten groBer als
die der g-Schichten ist, wobei aber die Angaben fur die g-Schichten unsicher
sind, da sie jeweils n u r von einer Probe stammen. Bei den u-Schichten liefern
die a-Proben fiir beide Materialien hahere Anisotropien als die 6-Proben. Dies
gilt in besonderem MaRe fur das reinstc Nickel. (IIier ist der Unterschied
gr6Ber als eine GroBenordnung.) Allgemein scheint die Anisotropie von Reinstnickelschichten nicdriger als tlie der Proben aus technischem Material zu sein.
Die Vorzugsachsen der ua-Schiehten streuen um die zum Magnetfeld
senkrcchte Richtung, die der icb-Schichten um die Feldrichtung.
Permalloy
Das Ausgangsmaterial wurde in Ilakchenform in die W-Wendeln eingeh&iigt. Da. sich die Zusammensetzung des Materials beim Verdampfen verkndert, wurden in diesem Falle Andysen des aufgedampften Materials ausgeeineri Fe-Gehalt von 22,4%.
fiihrt. Sie ergaben eineri Ni-Gehalt von 77,2:/,,
AuBerdem konnten einige Zehntel Prozent Mn und Mo und Spuren voii Zn,
Cu und 1%'nachgewiesen werden.
Die Anisotropien der unter ahnlichen Bedingungen aufgedampften Schichten weichen nur wenig von den in Tab. 1 angegebenen Richtwerten ab.
Die mittlcre Lage dcr Vorzugsachsen stimmt mit der Richtung des Magnetfeltles uberein ; die Achsen der b-Schichtcn weichen weniger von dicser Richtung
a b als die der a-Schichten.
Kobalt
Das zii verdampfeiitle Material wurde aus einer Losung von 150 g CoC1,
und 180 g CaC1, pro Liter Losung bci einer Stromdichte von 9 mA/cm2 auf die
Wolframwendeln abgeschieden.
Die Mittelwertc tier Anisotropiekonstanten aller vier Schichtgruppen sind
nahezu glcich ; die Streuung der Einzelwerte ist fur alle Gruppen gleich nietlrig.
Die Vorzugsachsen liegen fast ausnahmslos genau in Feldrichtung.
3. Ergcbnisse der hlterungsuntersuehungen
Wie wir inz2)fur Permalloy und Nickel berichtet habcn, veranderten sich
die unniittelbar nach tier Herstellung gemessenen Anisotropien in charakteristischer Wcise selbst bei Zimmertemperatur, wenn tlie Proben definierten
Magnetfeldern auspesetzt wurdcn ; urid zwar nahm die GroBe der Anisotropiekoristmtcri bei Lagerung der Schichten in einem Feld parallel zur Vorzugnachse zu. bei Lagerung in einem Querfeld ab. Voraussetzung fur diese Veranclerungen war cine zur Sattigung der Proben ausreichcnde Stkrke des Magnet-
2. Halek u. IV. Schuppel: Einachsige inagnestdsche Anisotropie dunner Schichten
257
feldes.Wir haben weitere Untersuchungen dieser Alterungseffekte vorgenommen
und diese auch auf Eisen-, Reinstnickel- und Kobaltproben ausgedehnt.
Tragt man die K*-Werte iiber dem Logarithmus der seit der Herstellung
der Schichten vergangenen Zeit auf, so sind im Falle von Permalloy und
Nickel die Alterungskurven in ihrem ersten Teil (bis t M 100 h) GeradenZ2).
Bei Eisen und Kobalt treten jedoch auch Abweichungen von der Linearitat
Tabelle 2
Die Mittelwerte des Anstiegs yon K* mit dem dekadischen Logarithmus der Zeit in
Stunden -__
dK* [lo3 erg em-31 und ihre mittlere Streuung. I n Klammern ist die Zahl
d k (t/h)
der zur Mittelung benutzten Blterungskurven angegeben. Bei den angegebenen Werten
handelt es sich urn den Anstieg zur Zeit t = 10 h
~
~Cngoheizte Unterlage
I
Geheizte Unterlage
auf. Um einen Vergleich der GroBe der zeitlichen Veranderung von K*
zwischen den Schichten aus verschiedenen Materialien zu ermoglichen, ist
in Tab. 2 ein mittlerer Anstieg der Kurven zur Zeit t = 10 h angegeben.
In ihrem weiteren Verlauf treten
K*
cny
bei allen Alterungskurven verschieden- h0Jprg
artige Sattigungseffekte auf.
Alle diese Ergebnisse werden fur 25
die einzelnen Materialien im folgenden
betrachtet :
Eisen
Der Betrag der Anfangssteigung von
K* ist (sowohl bei den u-als auch bei
5
den g-Schichten) bei Lagerung im Parallel- und im Querfeld unter Beriicksichtima
loow
gung der grol3en Streuung annahernd
thl
gleich. Sattigungseffekte treten schon
Abb. 2. Zeitliche Ver..nderung
der Kenals loOh a u f ; die gesamte stanten K* der einachsigen magnetischen
naCh
zeitliche Anderung von K* ist stets Anisotropie zweier schrag auf ungeheizte
kleiner als lo4 erg cm-3. Zwei typische Unterlagen aufgedampfter Eisenproben,
in einem
denen die cine (Kurve
Kurven fiir parallel bzw. senkrecht zur von
Feld parallel zur Vorzugsachse, die andere
Vorzugsachse gesattigtc tc-Proben sind (Kurve 2) in einem Fe]d senkrecht zur
in Abb. 2 dargestellt (Kurve 1 bzw. 2).
Vorzugsachse gelagert wurde
Ann. Physik. 7. Folge. Bd. 6
17b
258
Annalen der Physik. 7. E'olge. Band 6. 2960
Diese zeigt auch, dal3 die Anisotropie der im Parallelfeld gelagerten Probe
(Kurve 1) nicht standig steigt, sondern nach dem Durchlaufen eines Maximums wieder absinkt.
1st die Anisotropie klein, so Bndert sich unter der Einwirkung eines Querfeldes nicht nur der Betrag von K*, sondern auch die Lage der Vorzugsachse.
Dieser Effekt sol1 bei Kobalt niiher besprochen werden.
Die Anisotropiekonstanten der g-Proben verandern sich wesentlich langsamer als die der u-Proben.
Niokel und Permalloy
Bei Permalloy und den beiden verwendeten Nickelsorten ist der Betarag
der anfanglichen zeitlichen dnderung der Anisotropie fur alle u-Proben bei
Lagerung im Parallel- oder Querfeld annahernd gleich, und zwar kleiner als
bei Eisen. Die Anisotropie der g-Schichten bleibt zeitlich konstant. Der typische Kurvenverlauf ist in 22) wiedergegeben.
Kobalt
Kobaltproben weisen ahnlich grol3e zeitliche Anisotropieanderungen wie
Eisenproben auf, doch ist bei den u-Proben die zeitliche Abnahme von K*
grol3er als die Zunahme und wesentlich gro13er als der entsprechende Wert
von Eisen. Ein schnelleres Absinken
als Anwachsen von K* scheint auch
bei den g-Proben vorzuliegen. Diese
schnellere Abnahme als Zunahme von
K* bei Kobalt zeigte sich besonders
eindrucksvoll an solchen Schichten,
die zunachst im Parallel-, anschliel3end
im Querfeld aufbewahrt worden waren
und bei denen trotz des spateren
Beginns der Anisotropieabnahme die
Neigung des zweiten Teiles der Alterungskurve dem Betrage nach mehr
als viermal so grol3 wie die des ersten
t[M Kurventeiles war. Dies wird auch
Abb. 3. Zeitliche Veranderung des Betrages durch die u-Probe
deren
K* der einachsigen magnetischen Anisotro- Anisotropiekonstante in einem Feld
pie einer schrag bedampften Kobaltprobe senkrecht zur Vorzugsachse so weit
(Kurve 1) und der
(Winkel a
abnahm, && sich ihr Vorzeichen
die Richtung des Feldes beim Aufdampfen)
ihrer Vorzugsachse (Kurve 2) bei Lagerung anderte (Drehung der Vorzugsachse
in einem Feld senkrecht zur anfanglichen um goo) : Die Steigung der AlterungsLage der Vorzugsachse
kurve bei der Abnahme war betragsmaBig viermal so grol3 wie die Steigung
nach dem Vorzeichenwechsel24). An Kobaltschichten wurde noch ein anderer
Effekt beobachtet, den wir schon bei Eisen erwahnten. In einem Querfeld
nimmt K* nicht ganz bis auf Null ab, sondern die Vorzugsachse dreht sich aus
ilirer anfanglichen Lage stetig in die Richtung des Magnetfeldes, wobei K* einen
Minimalwert groBer als Null durchlauft. Ein typisches Beispiel dafiir zeigt
Abb. 3.
8. Mdlek
u.
W . Schuppel: Einachsige magnetische Anisotropie dunner Schichten 259
4. Diskussion der Ergebnisse
Der bei einigen Materialien auftretende Anisotropieunterschied zwischen
schrag und senkrecht bedampften (a-und b-)Schichten zwingt zu der Annahme,
daB beim schragen Bedampfen eine zusiitzliche einachsige Anisotropie erzeugt
werden kann. Diese bei Eisen und Permalloy schon von anderen1’)I8) gefundene
Anisotropieart werden wir nach K n o r r und H o f f m a n als geometrische
Anisotropie bezeichnen. Die Ergebnisse der durchgefiihrten Alterungsmessungen an Eisen-, Nickel-, Permalloy- und Kobaltschichten machen es
notwendig, die gesamte einachsige magnetische Anisotropie aufgedampfter
ferromagnetischer diinner Schichten in zwei Komponenten zu zerlegen, von
denen sich die eine bei Zimmertemperatur unter dem EinfluB eines Magnetfeldes verandert, die andere jedoch konstant bleibt.
Stellt man sich, wie schon inz2)angedeutet und durch die Untersuchungen
von H e i d e n r e i c h , N e s b i t t und B ~ r b a n k ~sowieAndra
~ ) ~ ~ ) undStemmeZ3)
bekraftigt wurde, vor, daB die Ursache der eingangs erwahnten spontanen
Anisotropie in einer Wechselwirkung zwischen den ferromagnetischen Atomen
und Storungen besteht, wobei die Wechselwirkungsenergie pro Paar vom
Winkel zwischen der Verbindungslinie der beiden Partner und der Richtung
der spontanen Magnetisierung abhangt (die durch ein SiuBeres Feld festgelegt wird), so 1aBt sich die veranderliche Komponente der Anisotropie mit
dieser spontanen Anisotropie identifizieren. E s ist nur notwendig anzunehmen,
daB die Beweglichkeit der Storungen schon bei Zimmertemperatur ausreicht,
um bei einer h d e r u n g der Richtung der spontanen Magnetisierung eine
Neuorientierung der Paare in diese neue Richtung zu ermoglichen. Aus dieser
Annahme folgt dann auch, daB der Betrag der spontanen Anisotropie im Laufe
der Zeit standig abnehmen muB, da bei hinreichender Beweglichkeit der Storungen diese zum Teil sich an energetisch giinstigen Stellen ausscheiden, zum
Teil aus der Schicht diffundieren, ihre Zahl im Gjtter sich also standig verringern wird.
Als Ursache der geometrischen Anisotropie bei Eisen werden von K n o r r
und H of f manl7) eine Fasertextur und eine anisotrope Spannungsverteilung
angegeben, die sich nach den Beobachtungen von E v a n s und W i l m a n Z 8 )
bzw. F i n e g a n und Hoffman19) bei schragem Bedampfen ausbilden konnen.
Ahnliche geometrische Anisotropien konnten auch bei anderen ferromagnetischen Stoffen auftreten. Alle diese struktur- bzw. spannungsbedingten Arten
der einachsigen magnetischen Anisotropie diirften durch Magnetfelder bei
Zimmertemperatur kaum beeinflufit werden. Das gleiche ist von den anderen
Formen der Spannungsanisotropie zu erwarten. E s liegt also nahe, geometrische
Anisotropie und (nichtgeometrische) Spannungsanisotropie mit der gefundenen
konstanten Komponente der einachsigen Anisotropie gleichzusetzen.
Die Aufteilung der einachsigen Gesamtanisotropie ist spezifisch fur die
einzelnen Materialien :
So laat der groDe Unterschied zwischen den Anisotropien von schrag und
senkrecht bedampften (a- und b-) Schichten bei E i s e n auf eine grol3e geo26) R. D. H e i de nr e ich , E . A . N e s b i t t u. R . D . B u r bank, J. Appl. Phys. 30,
995 (1959).
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260
Annulen der Phpik. 7 . Folge. Band 6. 1960
metrische Anisotropie schlieBen. Dies bestiitigten auch die Alterungsmessungen,
die zeigten, daB der Betrag der gesamten zeitlichen Veranderung von K*
stets kleiner als 104 erg cm-3 bleibt; dieser Wert stellt also eine obere Grenze
fiir die Konstante der spontanen Anisotropie dar und entspricht dem K*Mittel der 6-Schichten. Andererseits entspricht der Unterschied zwischen den
Werten der Anisotropiekonstanten von a- und b-Schichten, einige lo4 erg
groBenordnungsm8Big dem von K n o r r und Hoff man1’) unter ahnlichen
Bedingungen (d. h. beim Bedampfen unter einem Winkel von 10” gegen das
Lot) gefundenen Wert der Konstanten der geometrischen Anisotropie. Da
die Vorzugsachse der geometrischen Anisotropie senkrecht zur Aufdampfrichtung, d. h. in unserer Anordnung (s. Abb. 1) in Richtung des Magnetfeldes liegt, so muB auch die Vorzugsachse der Gesamtanisotropie diese Richtung besitzen, was mit unseren Experimenten iibereinstimmt. Die groBere
Streuung der Vorzugsachsen der b-Schichten um diese Lage la& sich auf die
Abweichungen der benutzten Verdampfungsquelle von der Punktform zuriickfiihren, die sich bei nahezu senkrechtem Bedampfen kritischer als beim schragen
Bedampfen auswirken.
Der Unterschied zwischen den Anisotropiekonstanten von ua- und ubSchichten, d. h. die Konstante der geometrischen Anisotropie, ist bei den zwei
benutzten Nickelsorten von der gleichen GroBenordnung (5 ‘ lo3 erg ~ m - ~ ) .
Die goBere Gesamtanisotropie bei technischem Nickel wird also durch eine
groBere spontane Anisotropie bewirkt, was auf vermehrten Einbau von Stiiratomen zuriick gefiihrt werden kann.
Da die Anisotropiekonstanten der Permalloy -ua-Schichten nur wenig
groBer als die der ub-Schichten sind, muB die geometrische Anisotropie bei
Permalloy klein sein.
Vergleicht man die gefundenen GroBen der geometrischen Anisotropie
von Eisen-, Nickel- und Permalloy-Scliichten, so verhalten sich diese naherungsweise wie die Konstanten Kl der Kristallanisotropie dieser Materialien. Dies
wiirde exakt dann der Fall sein, wenn sich beim schragen Bedampfen keine
anisotrope Spannungsverteilung in den Schichten ausbilden wiirde und die
Textur bei allen Materialien die gleiche w8re. Die gefundene naherungsweise
ubereinstimmung deutet also darauf hin, daB die durch Spannungen erzeugte
geometrische Anisotropie kleiner als die auf Textur beruhende ist.
Im Gegensatz zu Eisen-, Nickel- und Permalloyschichten ist die geometrische Anisotropie der K o b a1t schichten relativ klein; denn die K*-Mittelwerte der a- und b- Schichten sind nahezu gleich; auch stimmen trotz der gleichen
Aufdampfbedingungen wie bei Eisen die Vorzugsachsen selbst der b-Schichten
fast ausnahmslos mit der Feldrichtung iiberein. An Hand der weiter vorn erwahnten, inz4)naher beschriebenen und in Abb. 3 dargestellten Drehung der
Vorzugsachse einer Kobaltschicht bei Lagerung im Querfeld kann die Konstante der zeitlich unveranderlichen K*-Komponente fur den Fall, daB deren
Vorzugsachse weder parallel noch senkrecht zur Achse der spontanen Anisotropie liegt, zu m 1’ lo3 erg cm-s, d. h. w 5% der Gesamtanisotropiekonstante, abgeschatzt werden. Fur das Fehlen einer geometrischen Anisotropie
spricht auch das Ergebnis der in ’) mitgeteilten Untersuchungen von R e a d ,
die an Kobaltschichten keine Textur nachweisen konnte.
Lassen sich durch die Zerlegung der einachsigen magnetischen Anisotrop ie
in ge ometrische Anisotropie und spontane Anisotropie bzw. (nichtgeometrisch e)
2. Mcilek u. W . Schiippel: Einachsige magnetische Anisotropie diinner Schichten
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Spannungsanisotropie die Unterschiede zwischen den K*-Werten von aund b-Schich ten hinreichend erklaren, so kann fur die Unterschiede zwischen
u- und g-Schichten keine allgemein giiltige Deutung gegeben werden. Die an
allen Materialien beobachtete wesentlich geringere zeitliche Bnderung von K*
bei g-Proben scheint auf eine geringere Beweglichkeit der Storungen in den
g-Schichten zuriickgefiihrt werden zu konnen. Die bei den meisten Proben
beobachtete standige Abnahme des Betrages der anfanglichen Steigung der
Alterungskurven, deren Einmiindung in eine Sattigung und das bei einigen
Proben gefundene Absinken von K* nach Durchlaufen eines Maximums laBt
sich erklaren durch die Verringerung der Zahl der Storungen im Laufe der
Zeit, wie sie aus unserer Deutung der spontanen Anisotropie folgt. Wegen
der peringeren Beweglichkeit der Storungen in g-Schichten sind bei diesen
Sattigungseffekte erst nach langerer Zeit zu erwarten, was mit der beobachteten Linearitat der Alterungskurven in Einklang steht.
Aus der Deutung der spontanen Anisotropie als Nahordnungseffekt
folgt, da13 ihre GroBe fur ein bestimmtes Material und eine bestimmte Art
von Storungen nur von deren Zahl pro Volumeneinheit abhangt. Die spontane
Anisotropie sollte also, worauf An dra23) zuerst hinwies, keine typische
Eigenschaft der diinnen Schichten sein, sondern in allen Stoffen mit gleicher
Storungskonzentration auftreten. Daraus erklart sich die bei samtlichen
Materialien fehlende Schichtdickenabhangigkeit von K*.
Fraulein Chr. H e r m a n n hat eine groBe Zahl der langwierigen Anisotropiemessungen sorgfaltig ausgefiihrt. Wir mochten ihr dafur recht herzlich Dank
sagen.
J e n a , Institut fur Magnetische Werkstoffe der Deutschen Akademie der
Wissenschaften zu Berlin und
Pr a g , Physikalisches Institut der Tschechoslowakischen Akademie der
Wissenschaften.
Bei der Redaktion eingegangen am 16. Dezember 1959.
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