Master's Thesis

Modification of FeRh thin films for magnetic storage applications

Final Thesis 14.54 MB

Author of thesis: Bc. Sára Hrdinová

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Vojtěch Uhlíř, Ph.D.

Reviewer: Mgr. Ondřej Caha, Ph.D.

Abstract:

The first-order phase transition from the antiferromagnetic to the ferromagnetic phase in equiatomic FeRh alloys has attracted interest due to its potential applications in magnetic recording and memory technologies. The transition occurs slightly above room temperature, around 350 K, and exhibits a thermal hysteresis with a width of approximately 20 K, within which the antiferromagnetic and ferromagnetic phases coexist. The high tunability of FeRh, together with the pronounced changes in magnetization and electrical resistivity accompanying the phase transition, makes this material particularly attractive.

However, practical operation of potential magnetic storage devices based on common FeRh films would require external heating, which reduces energy efficiency. In addition, the relatively narrow phase-coexistence interval limits the thermal stability of the device. For technological applications, it is therefore desirable to decrease the transition temperature toward 300 K and to substantially broaden the thermal hysteresis.

In this work, we investigate the tunability of the phase transition in FeRh thin films by optimizing deposition conditions and by subsequent irradiation with C⁺ and H⁺ ions with an energy of 20 keV. The study focuses on controlling the transition temperature Tt and the hysteresis width ΔT through variations in film thickness, substrate type, ion dose, and irradiation temperature.

The results show that 20-nm-thick FeRh films grown on Al₂O₃ exhibit, already in the as-grown state, a thermal hysteresis 59 K wide centered near room temperature. Irradiation with C⁺ ions leads to a pronounced broadening of the transition, reaching up to 84 K, accompanied by a significant reduction of Tt down to 227 K. Furthermore, ion irradiation combined with annealing enables the thermal hysteresis of samples with initially high Tt to be shifted close to room temperature, while maintaining hysteresis widths of around 50 K.

Keywords:

Ferromagnetism, Antiferromagnetism, FeRh alloy, Phase transition, ion irradiation, VSM, MFM, RBS, PNR, phase domain, thermal hysteresis, transition temperature, residual magnetization

Date of defence

15.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Po otázkách oponenta bylo dále diskutováno: Princip funkce detektoru neutronů. Přesnost měření teploty v magnetometru. Důvod rozšiřování hysterezní křivky s tloušťkou vrstvy. Způsob určení koncentrace uhlíku. Studentka na otázky odpověděla.

Language of thesis

English

Faculty

Department

Study programme

Physical Engineering and Nanotechnology (N-FIN-P)

Composition of Committee

prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc. (předseda)
prof. RNDr. Jiří Spousta, Ph.D. (místopředseda)
prof. RNDr. Pavel Zemánek, Ph.D. (člen)
prof. Mgr. Dominik Munzar, Dr. (člen)
doc. Mgr. Adam Dubroka, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Jan Čechal, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Jiří Petráček, Dr. (člen)
prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Miroslav Kolíbal, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Radek Kalousek, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Stanislav Průša, Ph.D. (člen)
doc. Mgr. Vlastimil Křápek, Ph.D. (člen)
RNDr. Antonín Fejfar, CSc. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Vojtěch Uhlíř, Ph.D.

Diplomová práce Bc. Sáry Hrdinové se zabývá studiem a optimalizací metamagnetické fázové přeměny v tenkých vrstvách FeRh pomocí řízení podmínek depozice a následného iontového ozařování. Jedná se o aktuální téma s významem pro budoucí aplikace v oblasti magnetických pamětí a spintroniky. Práce je zaměřena na ovlivnění teploty přeměny a šířky její tepelné hystereze při zachování minimální zbytkové magnetizace v antiferomagnetické fázi, tedy parametrů klíčových pro praktické využití těchto materiálů.

Studentka během řešení práce prokázala velmi dobré experimentální schopnosti a vysokou míru samostatnosti. Aktivně se podílela na přípravě a charakterizaci tenkých vrstev a samostatně provedla pokročilé experimenty zaměřené na studium fázové přeměny. Prokázala dobrou znalost metod vibrační magnetometrie, mikroskopie magnetických sil i technik iontového ozařování. Významným přínosem byla její zahraniční stáž na Uppsalské univerzitě, během níž rozšířila své znalosti v oblasti modifikace vlastností FeRh pomocí iontových svazků.

Mimořádně oceňuji její účast na experimentech polarizované neutronové reflektometrie v Institutu Laue-Langevin v Grenoblu, kde vystupovala jako jediná zástupkyně našeho týmu. Samostatně zpracovala získaná data a aktivně se podílela na jejich interpretaci. Prokázala přitom vysokou odbornou znalost a schopnost kriticky analyzovat experimentální výsledky.

Získané poznatky přispívají k lepšímu porozumění mechanismům ovlivňujícím fázovou přeměnu v FeRh a ukazují možnosti cíleného ladění vlastností tohoto perspektivního materiálu.

Předloženou diplomovou práci doporučuji k obhajobě a hodnotím známkou A – výborně.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods A
Scholarly contribution and originality B
Ability to interpret achieved results and draw conclusions A
Applicability of results in practice or theory A
Logical arrangement of thesis and its layout A
Grafic layout, used style and language level A
Work with used sources including quotations B
Student's independence when working on the topic A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Mgr. Ondřej Caha, Ph.D.

Práce se zabývá tenkými vrstvami FeRh, což je materiál vykazující  magnetostrukturní fázový přechod při teplotě okolo 380K. Ačkoli je tento materiál studován už delší dobu, novost opráce spočívá ve zpracování známého materiálu iontovými svazky. Konkrétně se v práci jednalo o ozařování dusíkem, uhlíkem a vodíkem. Vzorky po iontovém ozáření vykazují nižší teplotu magnetostrukturního přechodu než nezpracované vzorky. Iontové zpracování mění také hodnotu zbytové magnetizace. profil magnetizace byl studován pomocí neutronové reflektometrie. Snížení teploty fázového přechodu je vhodné z hlediska aplikací, kdy přiblížení se pokojové teplotě zvyšuje aplikační možnosti. Práce je přehledně uspořádána, využívá pokročilé experimentální metody. Doporučuji hodnocení výborně.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods A
Scholarly contribution and originality B
Ability to interpret achieved results and draw conclusions A
Applicability of results in practice or theory B
Logical arrangement of thesis and its layout B
Grafic layout, used style and language level A
Work with used sources including quotations B
Topics for thesis defence:
  1. V práci jsou zmíněny výsledky rtg charakterizace narostlých vzorků. Byla provedena rtg charakterizace vzorků po ozáření? Při iontovém ozáření se mění mřížové parametry a mohlo by být zajímavé to porovnat.
  2. Značnou část práce tvoří výsledky nesnadno dostupných experimentálních technik (iontové ozařování, neutronová reflexe). Není mi proto zcela jasné, které části jsou dílem autorky. Prosím o rozlišení vlastního přínosu.
  3. Jaké byla geometrie experimentu polarizované neutronové reflektometrie? Tedy jaké jsou vzájemné směry magnetického pole, polarizace neutronů, rychlosti neutronů? Je použité magnetické pole pole srovnatelné s magnetometrickým měřením?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová