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Ultramicroscopy 47 (1992) 355-360 I I ]~r l l l l iP l 'g l l l tY i~ lNorth-Hollaad

Magneto-opt ica l s tudies o f u l tra- thin ferromagnet ic f i lmsS . D . B a d e rMaterials Science Division, Argonne National Laboratory, Argonne, IL 60439, USAReceived at Editorial Office 26 June 1992

Recent developments are reviewed in the general area of surface magnetic anisotropy of ultra-thin ferromagnetic films of3d transition metals. The surface magneto-optic Kerr effect (SMOKE) is introduced as a probe of magnetic anisotropyeffects in ultra-thin ferromagnetic films. SM OK E results from the author's laboratory are highlighted, including the study ofthe stabilization of vertical easy axes of magnetization in a variety of ep itaxial Fe film systems.

I . I n t r o d u c t i o n

T h e f o c u s o f th i s p a p e r is o n s u r f a c e m a g n e t i ca n i s o t r o p y o f 3 d f e r r o m a g n e t i c t r a n s i ti o n m e t a l s .W h i l e t h e e x c h a n g e i n t e r a c t i o n i s r e s p o n s i b l e f o rt h e n e t m a g n e t i z a t i o n a s s o c i a t e d w i t h f e r r o m a g -n e t i s m , i t i s t h e m a g n e t i c a n i s o t r o p y e n e r g e t i c st h a t d e t e r m i n e t h e d i r ec t i o n o f t h a t m a g n e t i z a -t i o n w i t h r e s p e c t t o t h e c r y s t a l l o g r a p h i c a x e s a n dt o t h e s h a p e o f t h e s a m p l e . V a n V l e c k [1 ] o r i g i-n a l l y p r o p o s e d t h a t t h e m a g n e t i c a n i s o t r o p y o ft h e f e r r o m a g n e t i c t r a n s i t i o n m e t a l s w a s d u e t ot h e s p i n - o r b i t i n t e r a c t i o n . N 6 e l [2 ] w a s t h e n t h ef i r s t t o i n t r o d u c e t h e c o n c e p t t h a t t h e s u r f a c e c a nh a v e i t s o w n s t r o n g m a g n e t i c a n i s o t r o p i e s d u e t ot h e l o w e r e d s y m m e t r y r e l a t i v e to t h e b u l k c r y s ta l .G r a d m a n n a n d c o w o r k e r s [3 ] w e r e f ir s t t o o b -s e r v e e x p e r im e n t a l l y t h e c o n s e q u e n c e s o f s t r o n gs u r f a c e a n i s o t r o p i e s i n t e r m s o f v e r t i c a l e a s y ax e so f m a g n e t i z a t i o n f o r u l tr a - th i n f il m s , w h e r e a s t h ee a s y a x e s a r e i n - p l a n e f o r t h i c k e r f i l m s f o r w h i c hs u r f a c e e f f ec t s c a n n o l o n g e r d o m i n a t e .

T h e s t u d y o f s u r f a c e m a g n e t i c a n i s o t r o p y h a sg r o w n i n p o p u l a r i t y w i t h t h e a d v e n t o f v e r t i c a lr e c o r d i n g a n d m a g n e t o - o p t i c d a t a s t o r a g e m e d i a .I t i s n o w c l e a r t h a t s u r f a c e m a g n e t i c a n i s o t r o p yc a n e n d o w a m a t e r i a l w i t h d e v ic e p o t e n t i a l a n dm a r k e t a b i li t y . W h e n t h is is c o m p o u n d e d w i t h t h er e a l i z a t i o n t h a t u l t r a t h i n f i lm s a n d a r t if i c a ll y la y -e r e d m a t e r i a ls c a n b e a t o m i c a l l y e n g i n e e r e d t o

h a v e th e d e s i r e d a n i s o t r o p i e s , t h e r e n e w e d i n t e r -e s t is q u i t e u n d e r s t a n d a b l e . T h e s e d e v e l o p m e n t sh a v e l e d K a n e y o s h i [ 4 ] r e c e n t l y t o p o i n t o u t t h a tt h e s u r f a c e m a g n e t i c a n i s o t r o p y is " o f p a r a m o u n ti m p o r t a n c e i n d e t e r m i n i n g t h e m a g n e t i c p r o p e r -t i e s o f s u r f a c e s a n d t h i n f i l m s " .

B o t h t h e o r e t i c a l a n d e x p e r i m e n t a l a c t i v i t i e sa r e u n d e r w a y c u r r e n t l y . T h e t h e o r e t i c a l s t u d i e sa r e b e i n g p u r s u e d a l o n g a v a r ie t y o f a v e n u e s .P h e n o m e n o l o g i c a l t h e o r i s t s u t i l i z e p o w e r - s e r i e se x p a n s i o n s o f t h e e n e r g e t i c s t o d e f i n e a n i s o t r o p yc o n s t a n t s [ 5 ] a n d t o r e l a t e t h e s e c o n s t a n t s t oe x p e r i m e n t a l o b s e r v a b l e s [ 6 ] . F i r s t - p r i n c i p l e s t h e -o r i s t s [ 7 - 9 ] u t il i ze b a n d - s t r u c t u r e t e c h n i q u e s t oc a l c u l a t e t o t a l e n e r g i e s i n o r d e r t o e v a l u a t e t h ee n e r g e t i c s d u e t o t h e s p i n - o r b i t i n t e r a c ti o n . T h eb a n d - s t r u c t u r e r e s u l t s a r e st il l a t t h e s t a g e w h e r ed i s c u s s io n s o f n u m e r i c a l a c c u r a c y c a n l e a d t ol iv e l y c o n t r o v e r s i e s [ 10 ]. A n o t h e r a s p e c t o f t h e o -r e t i c a l i n v e s t i g a t i o n e x p l o r e s t h e c o n s e q u e n c e s o ft h e s u r f a c e m a g n e t i c a n i s o t r o p y i n i n f l u e n c i n go t h e r f u n d a m e n t a l p r o p e r t i e s , s uc h a s t h e m a g n i -t u d e o f t h e C u r i e t e m p e r a t u r e Tc i n u l t r a - t h i nf i l m s , o r t h e c r i t i c a l t h i c k n e s s d c a t w h i c h t h ee a s y ax e s r e o r ie n t f r o m v e r ti c a l ( ) t o i n - p l an e( J[ ). A t d c t h e e f f e c t i v e a n i s o t r o p y g o e s t o z e r ob e c a u s e t h e v e r t i c a l s u r f a c e a n i s o t r o p y a n d i n -p l a n e s h a p e a n i s o t r o p y b a l a n c e o u t e a c h o t h e r . I ti s b e l i e v e d t h a t i n s u c h a s i t u a t i o n i t s h o u l d b ei m p o s s i b l e t o s u s t a i n l o n g - r a n g e f e r r o m a g n e t i c

0304-3991/92/$05.00 1992 - Elsevier Science Publishers B.V. All rights reserved

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356 S.D. Bader / Magneto-optical studies of ultra-thin filmso r d e r . T h i s is b e c a u s e t h e M e r m i n - W a g n e r t h e o-r e m [ 1 1 ] h a s s h o w n t h a t f o r a n i s o t r o p i c H e i s e n -b e r g m o d e l t h e r e is n o f i n i t e - t e m p e r a t u r e o r d e r -i n g in t w o d i m e n s i o n s ( 2 D ) . B a n d e r a n d M i l ls [1 2]a n d B r u n o [ 1 3 ] h a v e i n v e s t i g a t e d t h e Tc b e h a v i o rr e c e n t l y . T h e s p i n -w a v e b e h a v i o r [1 4] a n d i n s ta -b i l i t i e s t h a t o c c u r i n t h e s p i n - w a v e s p e c t r u m n e a rt h e r e o r i e n t a t i o n t r a n s i t io n h a v e a l s o b e e n e x -p l o r e d [1 5]. E f f o r t s t o i n c o r p o r a t e s u r f a c e r o u g h -n e s s i n t o t h e m o d e l i n g a r e a l s o i n p r o g r e s s [ 1 6 ] .

E x p e r i m e n t a l e f f o r t s h a v e f o c u s s e d o n b o t hq u a n t i f y i n g t h e m a g n e t i c a n i s o t r o p y c o n s t a n t s a n do n s e a r c h i n g f o r s y s t e m s a n d c o n d i t i o n s t h a t s u p -p o r t v e r t i c a l e a s y a x e s. A n o v e r v i e w o f e x p e r i-m e n t a l a c t i v i t i e s i s p r o v i d e d i n t h e r e f e r e n c e l i s t -i n g s t h a t a c c o m p a n y t h e t o r s i o n m a g n e t o m e t r ys t u d ie s o f E l m e r s e t a l. [1 7]. O t h e r t e c h n i q u e st h a t h a v e b e e n u s e d t o a n a l y z e a n i s o t r o p y c o n -s t a n t s i n c l u d e M 6 s s b a u e r s p e c t r o s c o p y [1 8 ,1 9] ,f e r r o m a g n e t i c r e s o n a n c e [ 2 0 ,2 1 ] a n d B r i l lo u i nl i g h t s c a t t e r i n g [ 2 2 ] a s w e l l a s m i c r o m a g n e t i cm o d e l i n g [ 23 ] t o i n t e r p r e t i m a g e s t a k e n b y m e a n so f s c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p y w i t h p o l a r i z a t i o na n a ly s is ( S E M P A ) . T a b u l a t i o n s o f a p p r o x i m a t ea n i s o t ro p y c o n s t a n ts a p p e a r in m a n y o f t h e w o r k sr e f e r r e d t o a b o v e , a s w e l l a s i n a p a p e r d e v o t e dt o t h e s u b j e c t b y B r u n o a n d R e n a r d [2 4].

T h e s p h e r e o f i n t e re s t e x p a n d s a s o n e a c -k n o w l e d g e s t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n s u r f a c e a n di n t e r f a c e a n i s o t r o p y . T h e n s t u d i e s i n t h e s u p e r -l a t t i c e f i e l d h e l p i n t h e c r o s s - p o l l i n a t i o n o f i d e a sw i t h t h e m o n o l a y e r m a g n e t i s m f i e l d [ 2 5 ] . S o m er e c e n t e x a m p l e s i n c l u d e m a g n e t i c a n i s o t r o p ys t u d i e s o f e p i t a x i a l s u p e r l a t t i c e s [ 2 6 ] , o f u l t r a t h i na m o r p h o u s m u l t i l a y e r s [2 7] a n d o f v e r t i c a l r e c o r d -i n g m e d i a b a s e d o n r a r e - e a r t h - t r a n s i t i o n - m e t a la m o r p h o u s a l l o y f i lm s [ 2 8] o r m u l t i l a y e r s [ 2 9] .

I n a d d i t i o n t o e f f o r t s t o q u a n t i f y a n i s o t r o p yc o n s t a n t s , t h e d i r e c t o b s e r v a t i o n o f v e r t i c a l e a s ya x e s al so h a s b e c o m e a n e x c i t in g e n d e a v o r . F o re x a m p l e , S E M P A h a s b e e n u s e d t o o b s e rv e ac o n t i n u o u s r e o r i e n t a t i o n t r a n s i t i o n t h a t t a k e sp l a c e a s a f u n c t i o n o f C o t h i c k n e s s f o r e p i t a x ia lC o / A u ( l l 1 ) f il m s [2 3]. S p i n - p o l a r i z e d s e c o n d a r y -e l e c t r o n s p e c t r o s c o p y h a s b e e n u s e d t o d is c o v e r ar e v e r s i b l e r e o r i e n t a t i o n t r a n s i t io n ( ~ I I) t h a to c c u r s a s a f u n c t i o n o f t e m p e r a t u r e f o r u l t r a - th i nf c c F e g r o w n o n C u ( 1 0 0 ) [ 3 0 ] .

M o s t o f th e r e m a i n d e r o f th e p r e s e n t p a p e rw i l l b e d e v o t e d t o h i g h l i g h t i n g r e s u l t s f o r u l t r a -t h i n i r o n f i l m s t h a t e x h i b i t i n t e r e s t i n g b e h a v i o rr e l a t e d t o t h e i r s u r f a c e m a g n e t i c a n i s o t r o p y . T h ee x a m p l e s a r e b a s e d o n s u r f a c e m a g n e t o - o p t i c a lK e r r e f f e c t ( S M O K E ) s tu d i es c a r r i e d o u t i n th ea u t h o r ' s l a b o r a t o r y . T h e i n t e r e s t t o t h e m i -c r o s c o p y c o m m u n i t y is t h a t w h e n s t r o n g s u r f a c ea n i s o t r o p i e s a r e f o u n d t o d o m i n a t e t h e p h y s i c a lp r o p e r t i e s , t h e g o a l t h e n b e c o m e s t o c o r r e l a t et h e m a g n e t i c p r o p e r t i e s w i t h t h e a t o m i c s t r u c -t u r e , m i c r o s t r u c t u r e a n d m o r p h o l o g y . T h i s isw h e r e t h e r e a r e g r e a t f u t u r e o p p o r t u n i ti e s a n dc h a l l e n g e s f o r d i v e r s e t y p e s o f m i c r o s c o p i st s .

2 . Background in format ionB e f o r e p r o c e e d i n g w i th t h e e x a m p l e s s o m e

b a c k g r o u n d i n f o r m a t i o n i s i n o r d e r . T h e f i l m s t ob e c o n s i d e r e d a r e g r o w n e p i ta x i a ll y o n t o s i ng l ec r y s t a l s u b s t r a t e s i n u l t r a - h i g h v a c u u m ( U H V ) o f1 0 - 1 - 1 0 - H T o r t . T h e g r ow t h m e t h o d , k n o w n a sm o l e c u l a r b e a m e p i t a x y ( M B E ) , u t i li z e s t e c h -n i q u e s s t a n d a r d t o t h e s u r f a c e s c i e n c e c o m m u -n i ty . A u x i ll ia r y c h a r a c t e r i z a t i o n p r o b e s u s e dt h r o u g h o u t t h e s t u d i e s a r e A u g e r e l e c t r o n s p e c -t r o s c o p y t o m o n i t o r s u r f a c e c l e a n l in e s s a n dg r o w t h m o d e c h a r a c t e r i s ti c s , a n d l o w - e n e r g y e le c -t r o n d i f f r a ct i on ( L E E D ) t o m o n i t o r s u r f a c e s t r uc -t u r a l o r d e r . T h e a b o v e c o n d i t i o n s a n d t o o l s c o n -s t it u t e th e m i n i m a l r e q u i r e m e n t s f o r m e a n i n g f u ls tu d i e s o f s u r fa c e p h e n o m e n a . F o r a b r o a do v e r v i e w o f t h e e x p e r i m e n t a l t e c h n i q u e s u s e d i ns u r f a c e a n d t h i n - f il m m a g n e t i s m r e s e a r c h t h er e a d e r i s r e f e r r e d t o t h e a r t i c l e s b y F a l i c o v e t a l .[31 ] and B ader [32 ] .

S M O K E is t h e a d a p t a t i o n o f t he c o n v e n t i o n a lm a g n e t o - o p t i c a l K e r r t e c h n i q u e t o s t u d y u l t r a -t h i n , o r m o n o l a y e r - r a n g e , s i g n a l s i n s i t u . A b e a mo f l i n e a rl y p o l a r i z e d H e - N e l a s e r li g h t e n t e r s t h eg r o w th c h a m b e r t h r o u g h a U H V w i nd o w a n dr e f l e c ts o f f o f th e m a g n e t i z e d s a m p l e . T h e m a g -n e t o - o p t i c i n t e r a c t i o n , w h i c h a l s o i s d u e t o t h es p i n - o r b i t i n t e r a c t i o n , r o t a t e s t h e p o l a r i z a t i o n o ft h e l i g h t a n d i n t r o d u c e s a n e l l i p t ic i t y . T h e r e -f l e c t e d l i g h t r e e m e r g e s t h r o u g h t h e U H V w i n -d o w , p a s s e s t h r o u g h a p o l a r i z i n g a n a l y z e r c r y s t a l

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S.19. Bad er / Magneto-optical studies of ultra-thin films 357w h o s e f a s t a x is is a l m o s t c r o s s e d w i t h t h a t o f th ei n c i d e n t l i g h t , a n d t h e r e s u l t a n t s i g n a l i s d e t e c t e db y a p h o t o d i o d e . A l l o f t h e o p t i c a l c o m p o n e n t sa r e o u t si d e o f t h e U H V c h a m b e r ; t h e o n ly c om -p o n e n t l o c a t e d i n s id e t h e c h a m b e r is a c o n v e n -t i o n a l e l e c t r o m a g n e t u s e d t o m a g n e t i z e t h e s a m -p l e . T h e o r i e n t a t i o n o f th e a p p l i e d m a g n e t i c f i e ldH is e i t h e r i n - p l a n e o r p e r p e n d i c u l a r t o t h e p l a n eo f t h e f il m . T h e r e s u l t a n t c o n f i g u r a t i o n is r e -f e r r e d t o a s t h e l o n g i t u d i n a l o r p o l a r K e r r e f f e c t ,r e s p e c t i v e l y . T h e p o l a r e f f e c t i s t h e c o n s i d e r a b l ys t r o n g e r o n e , w h i c h i s p a r t o f th e r e a s o n f o r i tsi m p o r t a n c e i n v e r t ic a l r e c o r d i n g a p p l i c a ti o n s . Ah y s t e r e s i s l o o p i s g e n e r a t e d a s H i s s w e p t a n dt h e o u t p u t o f th e d e t e c t e d l ig h t c h a n g e s . T h eK e r r i n t e n s it y m e a s u r e s t h e h e i g h t o f t h e l o o p , isp r o p o r t i o n a l t o th e m a g n e t i z a t i o n , a n d c a n b es t u d i e d d i r e c tl y o r u s e d t o o b t a i n r o t a t i o n o re l l ip t i c it y v a l u e s . T y p i c a l l y , t h e m a x i m u m p o s s i b l ep o l a r K e r r r o t a t io n v a l u e is ~ 0 . 1 - 0 . 2 m r a d f o ra n F e m o n o l a y e r . E a s y a x e s c a n b e i d e n ti f ie d b yt h e s h a p e o f th e h y s t e re s i s lo o p . L o o p s f o r w h i c ht h e r e m a n e n t K e r r s i g n al is c o m p a r a b l e t o th es a t u r a t i o n v a l u e a r e c h a r a c t e r i s t i c o f f ie l d a li g n -m e n t s a l o n g e a s y a x es . F o r a r e v i e w o f t h eS M O K E t e c h n i q u e t h e r e a d e r is r e f e r r e d t o t h ea r t i c l e b y B a d e r [ 3 3 ] .

3 . V e r t i c a l e a s y a x e s i n u l t r a - t h i n m a g n e t i c f i l m s

8O O

800

" ~ 600400

-

20(1

100

00 2 4 6 2 4 6

Fe Thickness (ML)Fig. 1. Critical thicknesses d c to sustain vertical eas y axes ofmagn etization (left panels) and the corresponding coercivities(right panels) are shown for epitaxial Fe films grown on theindicated substrates. The information is de rived fro m theheight and width, respectively, of the m agne tic hysteresisloops obtained using the surface magneto-optic Kerr effect.The strong polar Ke rr signals (square sym bols) ndicate verti-cal easy axes, and the w eak longitudinal Kerr signals (trian-

gles) indicate easy axes that are in the film plane.

I n t h i s s e c t i o n f o u r s y s t e m s w i ll b e h i g h l i g h t e da n d d i s c u ss e d i n t h e l i g h t o f t h e o p p o r t u n i t i e st h e y o f f e r f o r f u r t h e r s t u d y . T h e s t u d i e s i d e n t i f yc r i t ic a l t h i c k n e s s v a l u e s f o r v e r t i c a l e a s y a x e s . F i g .1 s h o w s th e t h i c k n e s s d e p e n d e n c e o f t h e K e r ri n t e n s i t y a n d c o e r c i v i t i e s H c f o r e p i t a x i a l F e f i l m sg r o w n o n t h e i n d i c a t e d s u b s t r a t e s . S t r o n g p o l a rK e r r s i g n a l s i n i t i a l l y i n c r e a s e w i t h t h i c k n e s s u n t i ld c is r e a c h e d , a f t e r w h i c h a r e l a t i v e l y w e a k l o n g i -t u d i n a l K e r r s i g na l is d e t e c t e d . T h e d c v a l u e s a r ei n t h e 3 - 6 m o n o l a y e r ( M L ) r a n g e . T h e c o e r c i v i -t i e s t e n d t o p e a k i n t h e m o n o l a y e r r a n g e , w h i c h i sa n o t h e r m a n i f e s t a t i o n o f t h e s t r o n g su r f a c ea n i s o t r o p y . A m o s t i n t e r e s t in g a s p e c t o f t h e r e -s u i t s s u m m a r i z e d i n f i g . 1 i s t h a t , a l t h o u g h i ne a c h c a s e F e f i lm s o f si m i l a r th i c k n e s s a r e u n d e ri n v e s t i g a t i o n , t h e s y s t e m s a r e q u i t e d i v e r s e . B c c

F e ( 1 0 0 ) g r o w s o n A u ( 1 0 0 ) b e c a u s e o f t he l a tt ic em a t c h b e t w e e n b c c F e a n d t h e p r i m i t iv e s q u a r eu n i t c el l o f u n r e c o n s t r u c t e d A u ( 1 0 0 ) . T h i s u n i tc e l l is r o t a t e d 4 5 f r o m t h e f c c u n i t c e l l o f A u . I nc o n t r a s t t o t h i s b e h a v i o r , w e f i n d t h a t r e l a t i v e l ys t r a i n - f r e e f c c F e g r o w s o n C u ( 1 0 0 ) . F c c F e e x i s t si n t h e F e p h a s e d i a g r a m a t h i g h t e m p e r a t u r e s T( 9 1 0 - 13 9 0 C ) . B o t h f e r r o m a g n e t i c a n d a n t i f e r r o -m a g n e t i c ( A F ) f o r m s o f f cc F e h a v e b e e n f o u n dt o e x i s t e x p e r i m e n t a l l y a n d t h e o r e t i c a l l y [ 3 4 ] . O u re p i t a x i a l ly s t a b i l i z e d f c c F e i s c l e a r l y o f t h e f e r r o -m a g n e t i c v a r ie t y ; it w a s g r o w n a t l ow T ( ~ 1 0 0 K )t o s u p p r e s s i n t e r d i f f u s i o n [3 5], a s w a s t h e F e /A u ( 1 0 0 ) [ 3 6 ] . I t i s n o w b e c o m i n g a c c e p t e d t h a tt h e A F p h a s e o f fc c F e c a n b e g r o w n o n C u ( 1 0 0 )a t h i g h T ( ~ 2 0 0 C ) s t a b i l i z e d b y a n i n t e r m i x e dF e - C u b u f f e r l a y e r a t t h e i n t e r f a c e [ 3 7 ] . T h e

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358 S.D. Bader / Magneto-optical studies of ultra-thin filmsm o s t r e c e n t s t r u c t u r a l s t u d i e s i n d i c a t e t h a t t h ef e r r o m a g n e t i c p h a s e i s s l i g h t l y t e t r a g o n a l l y d i s -t o r t e d , w h i l e t h e A F p h a s e i s u n d i s t o r t e d [3 8] .E v i d e n c e h a s b e e n f o u n d i n L E E D s t ud i e s f o r al o w - T s u r f a c e r e c o n s t r u c t i o n [ 3 9 ] f o r f i l m s g r o w nn e a r r o o m t e m p e r a t u r e , b u t c o r r e l a t i o n s h a v e n o tb e e n p u r s u e d y e t w it h m a g n e t i c p r o p e r t i e s .

T h e i n t e r e s t i n g q u e s t i o n f o r m i c r o s c o p i s ts i s t ow h a t e x t e n t t h e d c v a l u e s c o r r e l a t e w i t h t h et h i c k n e s s a t w h i c h m i s f i t d i s l o c a t i o n s s e t i n t or e l i e v e s t r a i n . T h e r o l e o f s t r a i n i n s t a b i l i z i n gv e r t i c a l e a s y a x e s i n t h i n e p i t a x i a l f i l m s i s a l s o a ni m p o r t a n t q u e s t i o n t o p u r s u e . T o p r o v i d e a s e n s eo f th e s t r e n g t h o f t h e s u r f a c e m a g n e t i c a n i s o t r o p yi n t h e s e s y s t e m s , n o t e t h a t t h e s h a p e a n i s o t r o p yc o r r e s p o n d s t o a f i e l d o f ~ 2 0 k O e ; a t d c t h ef i e l d a s s o c i a t e d w i t h t h e s u r f a c e a n i s o t r o p y i se x p e c t e d t o b a l a n c e o u t t h is f i e l d . I f d c = 5 M L ,t h e s u r f a c e a n i s o t r o p y f i e l d i s ~ 5 0 k O e , s i n c et h e r e a r e t w o s u r f a c e o r i n t e r f a c e l a y e r s [1 2].

C u a n d A u a r e g o o d c h o i c e s a s s u b s t r a t e sb e c a u s e t h e i r d - b a n d s a r e f i l l e d , s o t h e y s h o u l dn o t e l e c t r o n i c a l l y p e r t u r b t h e F e d - e l e c t r o n sg r e a t l y . H o w e v e r , f o r t h i s s a m e r e a s o n t h e y h a v el o w s u r f a c e f r e e e n e r g i e s r e l a t i v e t o F e . T h u s , t h eg r o w t h p r o c e s s i s u n s t a b l e w i t h r e s p e c t t o i n t e r -m i x i n g a n d s e g r e g a t i o n [ 4 0 ] . F o r t h i s r e a s o n t r a n -s i t i o n m e t a l s u b s t r a t e s w e r e a l s o e x p l o r e d i n f i g .1 . F e g r o w s p s e u d o m o r p h i c a l l y o n P a l ( 1 0 0 ) , b u tb e c a u s e o f t h e l a t t ic e m i s m a t c h t h e r e is a s tr o n gt e t r a g o n a l d i s t o r t i o n a n d t h e r e s u l t a n t s t r u c t u r ei s b c t [ 41 ]. T h u s , a n e w s t r u c t u r e i s c r e a t e d v i ae p i t a x y th a t d o e s n o t e x i s t i n t h e b u l k p h a s ed i a g ra m . A d d i t i o n a l i n t e re s t in F e / P d ( 1 0 0 ) ist h a t t h e i n t e r r a c i a l P d is f e r r o m a g n e t i c a l l y p o l a r -i z e d [ 4 2 ] , w h i c h l e a d s t o h i g h e r t h a n e x p e c t e d Tcv a l u e s i n t h e u l t r a - t h i n r e g i m e [ 4 3 ] a n d t o t h eo b s e r v a t i o n o f f e r r o m a g n e t i c h y s t e r e s i s w e l l i n t ot h e s u b m o n o l a y e r d o s a g e r e g i m e [ 4 4 ] . T h e s u b -m o n o l a y e r m o r p h o l o g y a p p e a r s t o c o n s is t o f ar a n d o m - s i t e o c c u p a n c y , r a t h e r t h a n o f a 2 D i s-l a n d s t r u c t u r e [ 4 5 ] .

T h e F e / R u ( 0 0 0 1 ) r e s u l t s in fi g. 1 d i f f e r i n an u m b e r o f w a y s f ro m t h o s e o f th e o t h e r s y st em s .F i r s t l y , t h e s u b s t r a t e i n t h i s c a s e i s t h e b a s a lp l a n e o f a h e x a g o n a l m a t e r ia l . T h e p s e u d o m o r -p h y w o u l d s u g g e s t t h e g r o w t h o f F e ( l l l ) p l a n e st h a t a r e e x p a n d e d i n - p la n e a n d , t h e r e f o r e , e x -

p e c t e d t o b e tr i go n a U y c o m p r e s s e d , r a t h e r t h a nf c c o r h c p . H o w e v e r , T i a n e t a l . [4 6] h a v e r e c e n t l yp r o p o s e d , b a s e d o n t h e i r L E E D s tu d i es , th a t o n l yt h e f i rs t m o n o l a y e r i s p s e u d o m o r p h i c , a n d t h a tt h i c k e r f i lm s c o n s i st o f 3 D b c c F e { l l 0 } d o m a i n sin t w o e q u i v a le n t K u r d j u m o v - S a c h s o r i e n ta t io n s .S e c o n d l y , v e r t i c a l e a s y a x e s a r e f o u n d f o r r o o m -t e m p e r a t u r e g r o w t h [ 4 7 ] , w h i l e l o w - T g r o w t h w a su s e d i n t h e o t h e r c a s e s i n f i g . 1 . T h i s i s p r e s u m -a b ly d u e t o t h e r e d u c e d t e n d e n c y t o w a r d s i n te r f a -c i a l m i x i n g r e l a t i v e t o t h a t f o r t h e o t h e r s y s t e m su n d e r c o n s i d e r a t i o n . F i n a l l y , t h e f i r s t t w o m o n o -l a y e r s o f F e n e i t h e r y i e l d a f e r r o m a g n e t i c s i g n a ln o r e x t r a p o l a t e t o b e f e r r o m a g n e t i c a l l y ac t iv e . Ith a s b e e n r e p o r t e d t h a t F e / R u s u p e r la t ti c e s a ls oh a v e t w o F e d e a d l a y e r s a t e a c h i n t e r f a c e . T h e s er e s u l ts h a v e l e d t o a v a r i e t y o f th e o r e t i c a l s p e c u -l a t i o n s [ 4 8 , 4 9 ] , i n c l u d i n g t h a t a t l e a s t t h e f i r s t F em o n o l a y e r i s a n t i f e r r o m a g n e t i c a l l y o r d e r e d [5 0].

I t w o u l d b e i n t e r e s t i n g to f o l lo w t h e g r o w t h o fa n y o f th e a b o v e s y s t e m s b y m e a n s o f a s c a n n i n gt u n n e l in g m i c r o s c o p e ( S T M ) . T h i s w o u ld s e e m t ob e f e a s i b l e , a s b o r n e o u t b y r e c e n t s u c c e s s e s i ns t u d y i n g t h e g r o w t h o f C u a n d A u o n R u ( 0 0 0 1 )[5 1] a n d o f F e o n A u ( l l l ) [5 2].

4 . C o n c l u s i o nI n t e r e s t i n s u r f a c e a n d i n t e r f a c e m a g n e t i s m

h a s i n c r e a s e d i n r e c e n t y ea r s . T h e r e a r e m a n yb a s i c c h a l l e n g e s a s w e l l a s p o s s i b i l i t i e s f o r a p p l i -c a t i o n s i n t h e m a g n e t i c r e c o r d i n g f i e l d . I n t h ep r e s e n t w o r k a r e v i e w w a s p r e s e n t e d h i g h l i g h ti n gr e c e n t a c t i v it i e s i n t h e f i e l d . E x a m p l e s o f v e r t i c a le a s y a x e s t a k e n f r o m S M O K E s tu d i e s in t h ea u t h o r ' s l a b o r a t o r y w e r e p r e s e n t e d a n d d i s c u ss e dw i t h i n t h e c o n t e x t o f f u t u r e r e s e a r c h d i r e c t i o n s .I t is a n t i c i p a t e d t h a t t h e f i e l d w i l l c o n t i n u e t oa t t r a c t a t t e n t i o n a n d t h a t s t u d i e s b a s e d o n t h eu s e o f d i v e r s e m i c r o s c o p y t e c h n i q u e s w i ll h e l p t h ef i e l d t o m a t u r e .

A c k n o w l e d g m e n tT h i s w o r k w a s s u p p o r t e d b y t h e U S D e p a r t -

m e n t o f E n e r g y , B a si c E n e r g y S c i e n c e s - M a t e r i a l s

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S.D. Bader / Magneto-optical studies o f ultra-thin films 359Sciences, under contract No. W-31-109-ENG-38.I thank my colleagues C. Liu and Z. Qiu forhelpful discussions.

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(1968) 313 ;U . G r a d m a n n , A p p l . P h y s . 3 ( 1 9 7 4 ) 1 6 1 ;W . K i i m m e r l e a n d U . G r a d m a n n , S o l i d S t a t e C o m m u n .24 (1977) 33 ; Phys . S ta tus So l id i ( a ) 45 (1978) 171 ;U . G r a d m a n n , J . M a g n . M a g n . M a t e r . 6 ( 1 9 7 7 ) 1 7 3;U . G r a d m a n n a n d H . O . I s b e r t , J . M a g n . M a g n . M a t e r .15-18 (1980) 1109 ;U . G r a d m a n n , J . M a g n . M a g n . M a t e r . 5 4 - 5 7 ( 1 9 8 6 ) 7 33 .

[ 4] T . K a n e y o s h i , i n : P h y si c s o f M a g n e t i c M a t e r i a l s , E d s . W .G o r z k o w s k i , M . G u t o w s k i , H .K . L a c h o w i c z a n d H . S z y m -czak (Wor ld Sc ien t i f i c , S ingapore , 1991) p . 29 .

[ 5] F . G a u t i e r , M a t e r . S c i . F o r u m 5 9 & 6 0 ( 1 9 9 0 ) 3 6 1.[ 6] G .T . R a d o , i n : P h y s i c s o f M a g n e t i c M a t e r i a l s , E d s . W .

G o r z k o w s k i , M . G u t o w s k i , H .K . L a c h o w i c z a n d H . S z ym -czak (Wor ld Sc ien t i f i c , S ingapore , 1991) p . 3 .

[ 7] J .G . G a y a n d R . R i c h t e r , P h y s . R e v . L e t t . 5 6 (1 9 8 6 ) 2 7 28 .[ 8 ] C . L i , A . J . F r e e m a n , H . J .F . J a n s e n a n d C .L . F u , P h y s .

Rev . B 42 (1990) 5433 .[9 ] P . Bruno , Phys . Rev . B 39 (1989) 865 .

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G.A. P r inz , Phys . Rev . Le t t . 59 (1987) 2464 .[ 2 0 ] G .A . P r i n z , G .T . R a d o a n d J . J . K r e b s , J . A p p l . P h y s . 5 3

(1982) 2087 ;J . J . K r e b s , P . L u b i t z , A . C h a i k e n a n d G .A . P r i n z , J .Appl . Phys . 69 (1991) 4795 .

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U r q u h a r t , K . M y r t l e , Z . C e l i n i a n d Q . M . Z h o n g , M a t e r .Res . Soc . Symp. P roc . 151 (1989) 177 .

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W i e d m a n n a n d C .M . F a l c o , P h ys . R e v . L e t t . 6 7 ( 1 9 9 1 )1910.

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[30] D .P . Pappas , K .-P . K~imper and H. Hops te r , Phys . Rev .Le t t . 64 (1990) 3179 .

[31] L .M . Fa , i cov , D .T . P ie rce , S .D . Ba der , R . Gro nsky , K .B .H a t h a w a y , H . J . H o p s t e r , D .N . L a m b e t h , S .S .P . P a r k i n ,G . P r i n z , M . S a l a m o n , I .K . S c h u l l e r a n d R .H . V i c t o r a , J.Mate r , Res . 5 (1990) 1299 .

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