Als Exchange Bias (EB) bezeichnet man eine unidirektionale Anisotropie (deshalb auch unidirectional exchange anisotropy genannt), die durch die Kopplung zwischen einem Ferro- und einem Antiferromagneten entsteht. Der Exchange Bias bewirkt eine Vorzugsrichtung der Magnetisierung im Ferromagneten, was sich im Experiment in einer Verschiebung der gemessenen Hysteresekurven entlang der Magnetfeldachse äußert. Durch die Bevorzugung einer bestimmten Richtung unterscheidet sich der Effekt deutlich von der üblichen ferromagnetischen Anisotropie, bei der die Ausrichtung der Spins parallel und antiparallel zur Vorzugsrichtung (leichte Richtung) energetisch gleichwertig sind.
Der Effekt beruht auf einer Austauschwechselwirkung (daher der Name) des Ferromagneten (FM) mit dem Antiferromagneten, und nicht einfach nur auf einer magnetostatischen Kopplung. Da der Antiferromagnet (AF) im Mittel keine Magnetisierung hat, muss der Effekt auf der magnetischen Feinstruktur des AF (zum Beispiel Defekten oder der Bildung von Domänen) nahe der Grenzfläche zum Ferromagneten beruhen, die experimentell lange schwer zu bestimmen war. Der Effekt selbst (Kopplung durch eine Austauschwechselwirkung zwischen FM und AF mit Vorzugsrichtung im FM) wurde bereits 1956 entdeckt von W. H. Meiklejohn und C. P. Bean. Theoretisch ist der Effekt noch nicht befriedigend erklärt.
Der Exchange Bias wird z. B. für magnetische Sensoren in Festplatten verwendet, bei denen durch diesen Effekt die magnetische Orientierung in einer ferromagnetischen Schicht, die als Referenz dient, konstant gehalten wird. Insbesondere durch die Entdeckung des GMR-Effekts in den 1980er Jahren mit seinem Potential für die Festplattenentwicklung wurde die Forschung auch am EB stark gefördert.
Entdeckung Im Jahre 1956 wurde von W. H. Meiklejohn und C. P. Bean eine unidirektionale Anisotropie entdeckt, die durch die Kopplung zwischen einem ferromagnetischen (FM) und einem antiferromagnetischen (AFM) Material hervorgerufen wird.W. H. Meiklejohn, C. P. Bean: New magnetic anisotropy, Phys. Rev. 102, 1413 (1956) Während in der ersten Arbeit über diesen Effekt ferromagnetische Kobaltpartikel mit oxidierter, antiferromagnetischer Oberfläche untersucht wurden, sind inzwischen viele weitere Materialsysteme bekannt, die den gleichen Effekt zeigen. Am häufigsten werden dabei Dünnschichtsysteme aus einem Ferromagneten und einem Antiferromagneten untersucht, da sich auf diese Weise die Grenzfläche und die Kristallinität der Schichten gut kontrollieren lassen. Zudem beruhen die meisten Anwendungen auf der Dünnschichttechnologie.
Grundlagen gerahmt|rechts|alt=Exchange Bias GraphSchematische Darstellung des Exchange Bias. Koppelt man einen ferromagnetischen (FM) Film mit einem antiferromagnetischen (AFM), verschiebt sich die Hysteresekurve um HEB entlang der Magnetfeldachse, das Koerzitivfeld HC kann zunehmen.
Magnetische Anisotropien werden oft durch den Einfluss von Kristallsymmetrien auf die atomaren magnetischen Momente hervorgerufen. Solche magnetischen Anisotropien führen zu energetisch günstigen (leichten) und ungünstigen (schweren) Richtungen der Magnetisierung in Bezug auf das Kristallgitter. Ohne magnetische Anisotropien würde sich beispielsweise eine Kompassnadel nicht mit den magnetischen Momenten in ihr ausrichten.
Entsprechend dem jeweiligen Kristallgitter findet man beispielsweise uniaxiale Anisotropien, bei der die leichten Richtungen sich um 180° unterscheiden, oder vierzählige, in denen die energetisch günstigen Richtungen um jeweils 90° getrennt sind.
Der Exchange Bias dagegen stellt eine unidirektionale Anisotropie dar, also eine Anisotropie, die die Magnetisierung bevorzugt in nur eine bestimmte Raumrichtung orientiert. Er entsteht in Systemen, in denen die Ordnungstemperatur des Antiferromagneten (Néel-Temperatur) unterhalb der Ordnungstemperatur des Ferromagneten (Curie-Temperatur) liegt, wenn das System in einem äußeren Magnetfeld oder bei magnetisiertem Ferromagneten abgekühlt wird.
Vereinfacht kann man sich das Phänomen so vorstellen, dass beim Kühlen unter die Néel-Temperatur ein Magnetfeld in dem System eingefroren wird. Dementsprechend können viele Effekte, die mit dem Exchange Bias zusammenhängen, mit dem Einfluss eines äußeren Magnetfeldes auf einen Ferromagneten verglichen werden. Einen weniger leicht erklärbaren Exchange Bias findet man dagegen in FeMn/CuNi, in dem die Ordnungstemperatur des Antiferromagneten über der des Ferromagneten liegt.P. Miltényi, M. Gierlings, J. Keller, B. Beschoten, G. Güntherodt, U. Nowak, K. D. Usadel: Diluted Antiferromagnets in Exchange Bias: Proof of the Domain State Model, Phys. Rev. Lett. 84, 4224 (2000)
Während die Hysteresekurve eines Ferromagneten symmetrisch zum äußeren Magnetfeld sowie zur Magnetisierung ist, wenn man das äußere Magnetfeld von ausreichend großen positiven zu negativen Feldern und zurück durchfährt, findet man in Exchange-Bias-Systemen eine Verschiebung der Hysteresekurve. Für positive Einkühlfelder ist die Hysteresekurve meist zu negativen Magnetfeldern hin verschoben; zudem zeigen manche Messungen eine vertikale Verschiebung der Kurve entlang der M-Achse.J. Nogués und Ivan K. Schuller: Exchange bias, J. Magn. Magn. Mat. 192, 203 (1999) Die Verschiebung der Hysteresekurve entlang der Magnetfeldachse wird als Exchange-Bias-Feld HEB bezeichnet.
Vergleicht man ein Exchange-Bias-System aus Ferromagnet und Antiferromagnet mit einem ferromagnetischen Film gleicher Dicke, so findet man außerdem häufig ein stark erhöhtes Koerzitivfeld. Die Vergrößerung des Koerzitivfeldes tritt besonders unterhalb der Néel-Temperatur auf, sie ist stark temperaturabhängig. Manche Systeme weisen auch ein Maximum des Koerzitivfeldes nahe der Néel-Temperatur auf, so z. B. Fe/FeF2 (mit dem Ferromagneten Eisen und dem Antiferromagneten Eisendifluorid) in der Kristallorientierung (110).T. Błachowicz, A. Tillmanns, M. Fraune, B. Beschoten, G. Güntherodt: Exchange-bias in (110)-oriented CoO/Co bilayers with different magnetocrystalline anisotropies, Phys. Rev. B 75, 054425 (2007)B. Beckmann, U. Nowak, K. D. Usadel: Asymmetric Reversal Modes in Ferromagnetic/Antiferromagnetic Multilayers, Phys. Rev. Lett. 91, 187201 (2003)
Neben weiteren Effekten, die nur in Exchange-Bias-Systemen auftreten, ist insbesondere die häufig zu findende starke Asymmetrie der Hysteresekurve zu nennenB. Beckmann, K. D. Usadel, U. Nowak: Cooling field dependence of asymmetric reversal modes for ferromagnetic/antiferromagnetic multilayers, Phys. Rev. B 74, 054431 (2006)J. Camarero, J. Sort, A. Hoffmann, J. M. García-Martín, B. Dieny, R. Miranda, J. Nogués: Origin of the asymmetric magnetization reversal behavior in exchange-biased systems: Competing anisotropies, Phys. Rev. Lett. 95, 057204 (2005)A. Tillmanns, S. Oertker, B. Beschoten, G. Güntherodt, C. Leighton, I. K. Schuller, J. Nogués: Magneto-optical study of magnetization reversal asymmetry in exchange bias, Appl. Phys. Lett. 89, 202512 (2006) – so kann beispielsweise in manchen Fe/MnF2-Proben (bestehend aus Eisen und dem antiferromagneten Mangandifluorid) eine Seite der Hysterese eine stark ausgeprägte Stufe aufweisen, während die andere Seite kein solches Phänomen zeigt.T. J. Moran und Ivan K. Schuller: Effects of cooling field strength on exchange anisotropy at permalloy/CoO interfaces, J. Appl. Phys 79, 5109 (1996)
Eigenschaften von Exchange-Bias-Systemen Exchange-Bias-Systeme zeigen verschiedene Eigenschaften, die man in fast allen Proben wiederfindet:
Temperaturabhängigkeit: Ausgehend von tiefen Temperaturen, sinkt das Exchange-Bias-Feld in der Regel mit steigender Temperatur ab, bis es unterhalb der Néel-Temperatur des Antiferromagneten verschwindet – je nachdem, ob das untersuchte System eine dünne antiferromagnetische Schicht oder aber einen relativ dicken antiferromagnetischen Einkristall enthält, weit unterhalb oder auch sehr nah an der Néel-Temperatur. Auch die Unordnung im Antiferromagneten und die Grenzflächenbeschaffenheit beeinflussen die Temperatur, bei der der Exchange Bias zu Null wird. Schichtdickenabhängigkeit: Der Exchange Bias verhält sich in den untersuchten Systemen antiproportional zur Schichtdicke des Ferromagneten, was dafür spricht, dass es sich beim Exchange Bias um einen Grenzflächeneffekt handelt. Abweichungen findet man für sehr dicke oder sehr dünne Schichten. Für die Abhängigkeit des Exchange Bias von der Schichtdicke des Antiferromagneten gibt es zwei verschiedene Beobachtungen: Der Exchange Bias steigt mit zunehmender Schichtdicke zunächst an und fällt nach Erreichen eines Maximums entweder wieder ab oder bleibt bei einem konstanten Wert. Welches Verhalten auftritt, hängt von dem verwendeten Materialsystem und den Präparationsbedingungen ab. Einkühlfeldabhängigkeit: Der Exchange Bias kann durch eine Änderung des Einkühlfeldes, in dem das System unter die Néel-Temperatur des Antiferromagneten gekühlt wird, variiert werden. Die Abhängigkeit des Exchange Bias vom Einkühlfeld ist für verschiedene Systeme jedoch unterschiedlich: In manchen Fällen findet man bei hohen Feldern eine Reduktion oder sogar ein VorzeichenwechselJ. Nogués, C. Leighton, Ivan K. Schuller: Correlation between antiferromagnetic interface coupling and positive exchange bias, Phys. Rev. B 61, 1315 (2000)T. Ambrose und C. L. Chien: Dependence of exchange field and coercitivity on cooling field in NiFe/CoO bilayers, J. Appl. Phys. 83, 7222 (1998) des Exchange Bias statt; in anderen Untersuchungen sieht man einen mit zunehmendem Einkühlfeld zunächst ansteigenden Exchange Bias, während er sich bei hohen Magnetfeldern nicht mehr ändert.J. Nogués, T. J. Moran, D. Lederman, Ivan K. Schuller und K. V. Rao: Role of interfacial structure on exchange-biased FeF2-Fe, Phys. Rev. B 59, 6984 (1999) Abhängigkeit von der Grenzflächenrauheit: Koppelt man ein einkristallines antiferromagnetisches Substrat (z. B. FeF2) mit sehr glatter Oberfläche an einen Ferromagneten, so zeigt das entstandene System nur einen geringen Exchange Bias. Ein Aufrauen der Substratoberfläche vor dem Aufbringen des Ferromagneten vergrößert den Exchange Bias erheblich. Während in den meisten Dünnschichtsystemen, wie Fe/FeF2, der Exchange Bias bei glatter Grenzschicht groß ist und sich mit zunehmender Rauheit der Grenzfläche verringert,C. Leighton, J. Nogués, H. Suhl und Ivan K. Schuller: Competing interfacial exchange and Zeeman energies in exchange biases bilayers, Phys. Rev. B 60, 12837 (1999) sinkt der Exchange Bias in Fe/MnF2-Dünnschichtsystemen mit zunehmender Rauheit zunächst ebenfalls ab, steigt dann aber wieder an.D. G. Hwang, S. S. Lee und C. M. Park: Effect of roughness slope on exchange biasing in NiO spinvalves, Appl. Phys. Lett. 72, 2162 (1998) Nimmt man als Antiferromagnet NiO, so erkennt man keine Abhängigkeit des Exchange Bias von der Standardabweichung der Schichtdicke des Antiferromagneten (Rauheit). Dagegen wird der Exchange Bias in diesem System vergrößert, wenn die mittlere Steigung des Grenzflächenprofils zunimmt.T. J. Moran, J. M. Gallego und Ivan K. Schuller: Increased exchange anisotropy due to disorder at permalloy/CoO interfaces, J. Appl. Phys. 78, 1887 (1995) Abhängigkeit von der Beschaffenheit des Antiferromagneten: Der Exchange Bias hängt nicht nur von der Grenzflächenrauheit, sondern auch von der Kristallgüte des Antiferromagneten ab. Beispielsweise zeigen Systeme aus Fe und verzwillingten FeF2-Filmen, die aus zwei zueinander gedrehten Untergittern bestehen, einen höheren Exchange Bias als entsprechende Systeme auf einkristallinen Substraten. Das gleiche Verhalten findet man für dünne CoOSchichten und -Substrate mit Co als Ferromagnet.P. Miltényi: Mikroskopischer Ursprung der Austauschkopplung an ferromagnetischen/antiferromagnetischen Schichten,