Quadratic Magnetooptic Kerr Effect Spectroscopy of Magnetic Thin Films with Cubic Crystal Structure

Die Quadratic Magnetooptic Kerr Effect Spectroscopy ist eine bedeutende Methode zur Charakterisierung von magnetischen Dünnschichten mit kubischer Kristallstruktur. Diese Technik nutzt den magnetooptischen Kerr-Effekt (MOKE), um die Eigenschaften von ferro-, ferri- und antiferromagnetischen Materialien zu untersuchen. MOKE ist nicht nur für die Materialcharakterisierung von Bedeutung, sondern findet auch Anwendung in der optischen Kommunikation, beispielsweise in optischen Isolatoren und Zirkulatoren. Die vorliegende Arbeit erweitert die bestehende Methodik, indem sie die 8-richtige Methode auf verschiedene kubische Kristallorientierungen anwendet. Diese Erweiterung ist entscheidend, da die meisten bisherigen Techniken sich auf die (001) Orientierung beschränkten. Die Arbeit zielt darauf ab, die quadratischen MOKE-Beiträge zu isolieren und deren Einfluss auf das Gesamtsignal zu analysieren. Ein zentrales Ziel ist es, die experimentellen Techniken zu verbessern, um die spektrale Abhängigkeit der quadratischen MO-Parameter zu bestimmen.

Die theoretischen Grundlagen des MOKE basieren auf der Störung des Permittivitätstensors durch die Magnetisierung eines Materials. Der Permittivitätstensor für kubische Kristalle wird bis zur zweiten Ordnung in der Magnetisierung durch den linearen MO-Parameter K und zwei quadratische MO-Parameter Gs und 2G44 beschrieben. Diese Parameter sind entscheidend für das Verständnis der magnetooptischen Effekte. In der Arbeit wird eine analytische Beschreibung entwickelt, die die Beziehung zwischen MOKE und den Elementen des Permittivitätstensors herstellt. Diese theoretischen Gleichungen werden mit numerischen Simulationen verglichen, um die Genauigkeit der Ergebnisse zu überprüfen. Die Erweiterung der 8-richtigen Methode auf die Kristallorientierungen (011) und (111) stellt einen bedeutenden Fortschritt dar, da sie die Anwendbarkeit der Technik auf eine breitere Palette von Materialien ermöglicht. Die Ergebnisse zeigen, dass die quadratischen MOKE-Beiträge signifikant zur Gesamtcharakterisierung beitragen können.

Die experimentelle Methodik umfasst die Anwendung der QMOKE-Spektroskopie auf verschiedene Proben, darunter Fe(001)-Dünnschichten und Co2MnSi(001)-Heusler-Verbindungen. Die Proben werden auf MgO(001)-Substraten mit variierenden Schichtdicken gezüchtet. Ein innovativer Ansatz wird vorgestellt, der nur vier Magnetisierungsrichtungen in Kombination mit einer Probenrotation von 45° verwendet. Diese Methode ermöglicht die Extraktion der spektralen Abhängigkeiten der quadratischen MO-Parameter Gs und 2G44 sowie des linearen MO-Parameters K. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die Abhängigkeit der MOKE-Signale von der Schichtdicke der Fe-Proben gering ist, was auf einen minimalen Einfluss der Grenzfläche hinweist. Im Gegensatz dazu zeigt die Untersuchung der Co2MnSi-Proben, dass eine höhere L21-Anordnung den interbandlichen Beitrag zu den MOKE-Spektren fördert. Diese Erkenntnisse sind für die Entwicklung neuer magnetooptischer Materialien von großer Bedeutung.

Die Ergebnisse dieser Arbeit haben weitreichende Implikationen für die Materialwissenschaft und die Nanotechnologie. Die verbesserte QMOKE-Spektroskopie bietet eine präzisere Methode zur Charakterisierung von magnetischen Dünnschichten und eröffnet neue Möglichkeiten für die Entwicklung von Materialien mit maßgeschneiderten magnetooptischen Eigenschaften. Die Erkenntnisse über die Abhängigkeit der MOKE-Signale von der Schichtdicke und der L21-Anordnung sind besonders relevant für die Herstellung von ferromagnetischen Materialien mit optimierten Eigenschaften. Diese Arbeit trägt dazu bei, das Verständnis der magnetooptischen Effekte zu vertiefen und die Anwendung dieser Techniken in der Industrie zu fördern. Die Ergebnisse könnten in der Entwicklung neuer optischer Geräte und in der Datenspeicherung Anwendung finden, wo magnetooptische Materialien eine Schlüsselrolle spielen.