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Structural and magnetic properties of epitaxial rare-earth cobalt thin films

Sharma, Shalini (2020):
Structural and magnetic properties of epitaxial rare-earth cobalt thin films.
Darmstadt, Technische Universität, DOI: 10.25534/tuprints-00011812,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Structural and magnetic properties of epitaxial rare-earth cobalt thin films
Language: English
Abstract:

With the ever increasing demand for beyond-state-of-the magnets, which could also serve in extreme conditions, it is crucial to reduce the dependence on the critical rare-earths and explore new materials or material designs. The cobalt rich compositions of the rare-earth (R) cobalt intermetallic systems offer the combined advantages of a strong magnetocrystalline anisotropy and a high saturation magnetization, well above room temperature. This work focuses on investigating thin films of R-Co intermetallics as model systems for designing the materials at the nanoscale, understanding the magnetic hardness mechanisms and developing more sustainable magnetic systems. The technique of molecular beam epitaxy (MBE) is utilized to investigate the thin film phase diagrams of lesser critical (Y and Sm), and abundant (Ce) rare-earth cobalt based systems. The growth window of buffer-free (00l) oriented R2Co17 and RCo5 thin films onto (001)-Al2O3 substrate are explored. With the manipulation of individual atomic beams, MBE enables a fine tuning of the stoichiometry, whereby it was possible to stabilize not only the individual phases of Y2Co17 and YCo5 but also a nanocomposite of these phases. The Y2Co17 film has an easy-plane anisotropy matching well to bulk single crystal while the YCo5 film exhibits a perpendicular anisotropy. As a result of exchange coupling of the Y2Co17 phase to the YCo5 phase, the nanocomposite films also shows perpendicular anisotropy. The outcome of a uniaxial anisotropy induced in an easy-plane material of Y2Co17, and hence, the resulting coercivity, shows a potential way of broadening the class of materials useful for permanent magnets. Furthermore, we were able to fabricate CeCo5 thin films with a saturation magnetization of 500 emu/cm3, a perpendicular anisotropy of 0.44 MJ/m3 and coercivity of 2.74 kOe, which are the highest reported so far for the thin films. An extremely large perpendicular anisotropy of 1.67 MJ/m3 is achieved SmCo5 thin film without the use of any buffer layers. The atomic scale resolution of the film revealed that the SmCo5 phase grows perfectly c-axis oriented on the (001)-Al2O3 substrate, however, with possible traces of the Sm2Co17. The result of a perpendicular anisotropy obtained in single layer of RCo5 phase make them interesting for magnetic recording and spintronic applications. In view of tuning the magnetocrystalline anisotropy of a compound by strain introduced by chemical substitution, thin films of yttrium substituted cerium (Y,Ce)Co5 intermetallics are investigated. We observed that the structural and magnetic properties of (Y1−xCex)Co5 films show a non-linear dependence on Ce content, x which is supposedly due to a varying chemical valence the Ce ion. The absolute values vary, but a similar trend in the lattice parameters and magnetization is also observed in the bulk single crystals.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Mit der ständig steigenden Nachfrage nach Magnetwerkstoffen, die auch unter extremen Bedingungen funktionieren, ist es entscheidend, die Abhängigkeit von den kritischen Seltenen Erden zu verringern und neue Materialien oder Materialsystem zu erkunden. Die kobaltreichen Zusammensetzungen der intermetallischen Systeme aus Seltenerdmetallen (R) und Kobalt bieten die kombinierten Vorteile einer starken magnetokristallinen Anisotropie und einer hohen, weit über Raumtemperatur liegenden Sättigungsmagnetisierung. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Untersuchung von dünnen Schichten aus intermetallischen R-Co-Schichten als Modellsysteme für das Materialdesign auf der Nanoskala, auf das Verständnis der Mechanismen der magnetischen Härte und auf die Entwicklung nachhaltiger magnetischer Systeme. In dieser Arbeit wurde Molekularstrahlepitaxie (MBE) zur Untersuchung der Dünnschichtphasendiagramme von weniger kritischen (Y und Sm) bzw. häufigen (Ce) seltenen Erd-basierten Kobaltsystemen. Das Wachstumsfenster pufferfreier Kobaltsysteme als (00l) orientierter R2Co17 und RCo5 Dünnschichten auf (001)-Al2O3 Substraten wurde eingehend untersucht. Durch die Kontrolle der Molekularstrahlen ermöglicht MBE eine Feinabstimmung der Stöchiometrie, wodurch es möglich ist, nicht nur die einzelnen Phasen von Y2Co17 und YCo5 zu stabilisieren, sondern auch ein Nanokomposit beider Phasen herzustellen. Die Y2Co17 Schichten haben eine planare Anisotropie mit einkristallinen Kennwerten, während die YCo5-Schichten eine senkrechte Anisotropie aufweisen. Aufgrund der Austauschkopplung zwischen der Y2Co17-Phase und der YCo5-Phase entstehen Nanokomposit-Filme mit der gewünschten senkrechten Anisotropie. Diese induzierte uniaxiale Anisotropie impliziert eine deutlich erhöhte Koerzitivfeldstärke im Gesamtsystem. Insgesamt zeigt dieses Resultat eine neue Methode zur Erzielung maßgeschneiderter Permanentmagnete auf. Außerdem konnten im Rahmen dieser Arbeit CeCo5 Dünnschichten mit einer Sättigungsmagnetisierung von 500 emu/cm3, einer senkrechten Anisotropie von 0,44 MJ/m3 und einer Koerzitivfeldstärke von 2,74 kOe hergestellt werden, was die höchsten bisher berichteter Werte für dünne Schichten sind. In SmCo5-Dünnschichten wurde eine extrem große senkrechte Anisotropie von 1,67 MJ/m3 erreicht, und dies ohne die Verwendung von jeglichen Pufferschichten. Transmissionselektronenmikroskopie mit atomarer Auflösung an diesen Filemen ergab, dass die SmCo5-Phase perfekt c-Achsen-orientiert auf dem (001)-Al2O3-Substrat wächst, jedoch mit möglichen Spuren von Sm2Co17. Das Ergebnis einer senkrechten Anisotropie, die in einer einzelnen Schicht der RCo5-Phase erhalten wird, macht sie interessant für den Bereich der magnetischen Informationsaufzeichnung sowie für spintronische Anwendungen. Zur Untersuchung der magnetokristallinen Anisotropie einer Verbindung mit gezielter chemischen Substitution wurden dünne Schichten aus Yttrium substituierten Cerium (Y,Ce)Co5 synthetisiert. Es wurde beobachtet, dass die strukturellen und magnetischen Eigenschaften von (Y1−xCex)Co5-Schichten eine nichtlineare Abhängigkeit vom Ce Gehalt aufweisen, was möglicherweise auf eine gemischte Valenz des Ce-Ions zurückzuführen ist. Die absoluten Werte variieren zwar, jedoch wird ein ähnlicher Trend bei den Gitterparametern und der Magnetisierung auch bei Einkristallen beobachtet.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science
11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Advanced Thin Film Technology
Date Deposited: 10 Jun 2020 13:56
Last Modified: 10 Jun 2020 13:56
DOI: 10.25534/tuprints-00011812
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-118121
Referees: Alff, Prof. Dr. Lambert and Gutfleisch, Prof. Dr. Oliver
Refereed: 20 April 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/11812
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