The Magnetic Spin Structure of Fe50Pt50-xRhx Films: A Neutron Diffraction Study

In the work presented here the structural and magnetic properties of Fe50Pt50-xRhx alloys with different Rh concentration (x=5, 10, 17.5 and 25) and thicknesses (100nm, 200nm, 300nm and 500nm) have been analyzed with macroscopic measurements and magnetically sensitive probes with resolution on the atomic range. Compared to previous studies on bulk Fe50P50-xRhx alloys with macroscopic measurements the magnetically sensitive investigations on the thin films allow together with structure factor calculations not only the determination of general magnetic properties but for the first time the development of a detailed model of the magnetic configuration. The structural analysis and macroscopic magnetic measurements were carried out by X-ray diffraction and MOKE measurements, respectively, indicating that the films are well chemically ordered in a bct structure and show different magnetic phases depending on the composition. A more detailed analysis of the magnetic properties has been carried out by unpolarized and polarized neutron diffraction. The measurements showed that in the 200nm thick Fe50Pt50-xRhx films a transition between a ferromagnetic (FM) order in the in-plane direction and an antiferromagnetic (AF) order in the out-of-plane direction takes place with increasing Rh concentration. Additionally a temperature driven AF-FM transition can be observed in the film with x=10. Measurements with the application of an external magnetic field induce a FM order in the out-of-plane direction in the films with low Rh concentration while the AF ordered films with high Rh content are not affected by the field. The thickness of the Fe50P40Rh10 films has in a range from 100nm to 500nm almost no influence on the fundamental magnetic properties. Only the AF-FM transition of the thicker films is more rapid with increasing temperature. The application of detailed structure factor calculations allow to develop a model of the magnetic configuration of the Fe50Pt50-xRhx alloys. The magnetic moments in the films with low Rh concentration are FM ordered with a dominant alignment in the out-of-plane direction while in the films with high Rh concentration they are AF ordered and are dominantly orientated in the in-plane direction. The different magnetic configurations can be described by a phenomenological model considering two major contributions: The first term is a bilinear anisotropic Hamiltonian with direction dependent exchange constants and the second term includes the easy axis anisotropy as well as the fourfold tetragonal anisotropy. The phenomenological model indicates that the easy axis anisotropy is dominant for low Rh concentration while the fourfold tetragonal anisotropy becomes prominent for high Rh concentrations. In der hier prasentierten Arbeit wurden die strukturellen and magnetischen Eigenschaften von Fe50P50-xRhx Legierungen mit unterschiedlicher Rh Konzentration (x=5, 10, 17.5 und 25) und Schichtdicken (100nm, 200nm, 300nm und 500nm) untersucht. Hierfur wurden makroskopische Messungen und magnetisch sensitive Sonden mit Auflosungen im Bereich atomarer Abstande eingesetzt. Im Gegensatz zu fruheren Untersuchungen von Volumen Fe50Pt50-xRhx Legierungen mit makroskopischen Untersuchungsmethoden, erlauben die magnetisch sensitiven Messungen nicht nur die Bestimmung der allgemeinen magnetischen Eigenschaften, sondern zum ersten mal auch die Entwicklung eines detaillierten Modells der magnetischen Anordnungen. Die strukturellen Untersuchungen und die makroskopisch magnetischen Messungen wurden mit Rontgendiffraktion und MOKE Messungen durchgefuhrt. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen zeigen, dass die Filme eine gute chemische Ordnung mit bct Struktur haben. Des Weiteren wurden Hinweise auf unterschiedliche magnetische Phasen gefunden, die von der Rh Konzentration der Filme abhangen. Genauere Untersuchungen der magnetischen Eigenschaften wurden mit unpolarisierter und polarisierter Neutronendiffraktion durchgefuhrt. Diese Messungen zeigen in den 200nm dicken Fe50Pt50-xRhx Filmen mit ansteigender Rh Konzentration einen Ubergang von einer ferromagnetischen (FM) Ordnung in der Richtung parallel zur Probenebene zu einer antiferromagnetischen (AF) Ordnung in der Richtung senkrecht zur Probenebene. Ein weiterer AF-FM Ubergang kann mit ansteigender Temperatur in dem Film mit x=10 beobachtet werden. Messungen mit einem externen angelegten Magnetfeld zeigen eine Induktion einer FM Ordnung in Richtung senkrecht zur Probenebene. Dieser Effekt wurde nur in Filmen mir niedriger Rh Konzentration gefunden, wahrend Filme mit hohem Rh Gehalt nicht beeinflusst werden von einem externen Magnetfeld. Die Schichtdicke der Fe50Pt50-xRhx Filme hat in einem Bereich von 100nm bis 500nm nahezu keinen Einfluss auf die grundlegenden magnetischen Eigenschaften der Filme. Es wurde lediglich beobachtet, dass der AF-FM Ubergang in den dickeren Filmen mit steigender Temperatur schneller von statten geht. Die Anwendung von detaillierten Strukturfaktorrechnungen ermoglichte es ein genaues Modell der magnetischen Anordnung zu entwickeln, welches zeigt, dass die Filme mit geringer Rh Konzentration eine FM Ordnung haben, in der die magnetischen Momente in Richtung senkrecht zur Probenebene orientiert sind. Filme mit hohem Rh Gehalt haben wiederum eine AF Ordnung. Hier sind die magnetischen Momente in Richtung parallel zur Probenebene ausgerichtet. Die unterschiedlichen magnetischen Anordnungen konnen mit Hilfe eines phanomenologischen Modells beschrieben werden. Dieses Modell berucksichtigt zwei Beitrage: Der erste Ausdruck ist ein bilinearer anisotroper Hamilton-Operator mit Richtungsabhangigen Austauschkonstanten und der zweite Ausdruck beinhaltet die easy axis Anisotropie, sowie die fourfold tetragonal Anisotropie. Das phanomenologische Modell deutet fur geringere Rh Konzentrationen eine dominante easy axis Anisotropie an, wahrend die fourfold tetragonal Anisotropie fur hohe Rh Konzentrationen dominant wird.