Heusler compounds as tunable material class for devices

Abstract

Neueste Lesekopfsensoren von Festplatten, welche auf dem TMR/GMR Effekt beruhen (momentan TMR, bald CPP-GMR), sind ein Beispiel für eine komplexe Dünnschichtreihenfolge. Die Integration von Heuslermaterialien mit hoher Spinpolarisierung (SP) als Free Layer und als Reference Layer werden in dieser Arbeit vorgestellt. Weiterhin wird die Tunability von Heuslermaterialien anhand des neuen quarternären Heuslers Co2-xIrxMnSi präsentiert, indem durch Zugabe von Ir das intrinsische Damping erhöht wird. Außerdem werden tetragonal verzerrte Heusler, wie z.B. Mn3-xGa, untersucht. Dank seiner hohen vertikalen magnetischen Anisotropie (PMA) und SP kann dieses Material die momentan benutzte Toggle-Write-MRAM Zelle durch ein besseres Design ersetzen, indem der Spin-Transfer-Torque Effekt (STT) zum Schalten benutzt wird. Mn3-xGa hat auch eine potentielle Anwendung als Signalemitter, da die Resonanzfrequenz im THz-Bereich liegt. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung von Heuslerdünnschichtfilmen und erklärt einzelne Abschnitte, welchen der experimentelle Materialforscher begegnen wird auf seinem Weg bis zur Herstellung eines neuen Schichtsystems.

State-of the art tunnel-magneto-resistance/giant magneto-resistance (TMR/GMR) of hard disk drives (HDD) head sensors are a prominent example for a complex stacking design. The implementation of a highly spin-polarized Heusler compound as a free or reference layer is presented here. Furthermore the tunability of the Heusler material class is showcased in the design and realization of a new quaternary Heusler, Co2-xIrxMnSi, which exhibits tunable intrinsic Gilbert damping. Furthermore, tetragonal distorted Heusler-like materials such as Mn3-xGa are investigated, which offer gigantic perpendicular anisotropy (PMA) and high SP which helps e.g. to redesign the Toggle-Write-MRAM cell by getting rid of the write line and use the spin-transfer-torque (STT) effect. They are also interesting as signal emitters, as their magnetic resonance frequencies are in the THz range. This work covers the sputter deposition of Heusler thin films and their underlayers and sheds light on various stages and aspects that will be encountered experimentally on the way to the full deposition of a novel device stack.