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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-38333
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2008/3833/


Micromagnetic Simulation and X-ray Microscopy of Field- and Current-Induced Magnetization Dynamics in Ferromagnetic Nanostructures

Mikromagnetische Simulation und Röntgenmikroskopie feld- und strominduzierter Magnetisierungsdynamik in ferromagnetischen Nanostrukturen

Bolte, Markus-Andreas

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Freie Schlagwörter (Deutsch): Magnetisierungsdynamik , Röntgenmikroskopie , Mikromagnetische Simulationen , Spin-Transfer-Torque , Spintronik
Freie Schlagwörter (Englisch): magnetization dynamics , X-ray Microscopy , Micromagnetic simulations , spin-transfer-torque , spintronics
Basisklassifikation: 33.75 , 33.61 , 54.76
Institut: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Merkt, Ulrich (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 31.10.2007
Erstellungsjahr: 2007
Publikationsdatum: 16.09.2008
Kurzfassung auf Deutsch: Diese Arbeit behandelt die statischen und dynamischen Eigenschaften von Nano- und Mikrometer-großen Ferromagneten in Wechselwirkung mit zeitabhängigen Strömen und Magnetfeldern. Die Untersuchungen wurden mit Hilfe von mikromagnetischen Simulation, Magnetowiderstandsmessungen und Röntgenmikroskopie durchgeführt. Zunächst wurden die magnetischen Grundzustände von Eisen, Nickel und Permalloy-Mikroelementen in Arrays in Abhängigkeit von Abstand, Filmdicke sowie Stärke und Richtung des externen Feldes untersucht. Die Magnetisierungsdynamik dünner Permalloy-Quadrate, die durch Nanosekunden-Magnetfeldpulse angeregt wurden, wurde dann mit Hilfe mikromagnetischer Simulationen studiert. Das sich ergebende Spinwellenspektrum wurde mit aktuellen Theorien verglichen. Die magnetischen Eigenmoden in dünnen Permalloy-Plättchen, die durch periodische Anregung entstehen, wurden ebenfalls simuliert und mit Röntgenmikroskopie-Daten verglichen. Dann habe ich den Einfluss der lokalen Magnetisierung auf elektrische Ströme mit Hilfe von Simulationen und Messungen des Anisotropen Magnetowiderstands (AMR) sowie durch gleichzeitige Detektion des AMRs und der Domänenstruktur durch Röntgenmikroskopie untersucht. Schließlich wurden alle Themen und Meßmethoden zusammengeführt, um die Magnetisierungsänderungen durch spin-polarisierte Ströme und Magnetfelder zu bestimmen. Domänenwand-Oszillationen durch spin-polarisierte ac-Ströme und der Einfluß von Nanosekunden-Strompulsen auf Domänenwände wurden numerisch und mit Hilfe von Röntgenmikroskopie untersucht. Zeit- und phasen-auflösende Röntgenmikroskopie und mikromagnetische Simulationen halfen, die Dynamik von strom- und feldgetriebenen magnetischen Vortizes und Antivortizes zu verstehen. Diese Arbeit ist in Zusammenarbeit mit vielen Wissenschaftlern aus mehreren Forschungsgruppen entstanden. In den einzelnen Kapiteln habe ich mich auf meinen Beitrag in diesen Kollaborationen konzentriert. Es liegt jedoch in der Natur und im Zweck der Sache begründet, dass gegenseitiges Mitteilen und Lernen zu einer Vermischung von Gedankengut führen. Deshalb ist es oft nicht möglich, eine vollständige Trennung der Beiträge durchzuführen. In den einzelnen Kapiteln habe ich mich dennoch bemüht, die einzelnen Beiträge zu trennen.
Kurzfassung auf Englisch: This thesis deals with the static and dynamic properties of nano- and micrometer-sized ferromagnets in interaction with time-dependent electric currents and magnetic fields studied by micromagnetic simulation, magnetoresistance measurements, and X-ray microscopy. First equilibrium magnetization configurations of iron, nickel and permalloy microelements in arrays were studied depending on inter-element distance, film thickness, as well as strength and direction of applied magnetic fields. The magnetization dynamics of thin permalloy squares in response to nanosecond short magnetic field pulses was then investigated with an enhanced micromagnetic simulation code, and the extracted spin-wave spectrum was compared to current theories of spin-wave eigenmodes. The magnetic eigenmodes of a thin permalloy platelet to periodic field excitation were also studied by micromagnetic simulation and compared to X-ray microscopy data. Then I investigated the influence of the local magnetization on the electric current by means of micromagnetic simulations and measurements of the anisotropic magnetoresistance (AMR) effect. These studies were done by comparing measured AMR signals to those from micromagnetic simulations as well as performing AMR measurements and X-ray microscopy simultaneously on the same samples. Finally, these topics and techniques are brought together in a study of the magnetization changes in permalloy wires and rectangles due to spinpolarized currents and magnetic fields. Domain-wall oscillations driven by spin-polarized ac-currents and the interaction of nanosecond current pulses with domain walls were investigated numerically and by X-ray microscopy. Time- and phase resolving X-ray microscopy and micromagnetic simulations were used to study the dynamics of magnetic vortices and antivortices driven by ac-currents and magnetic fields. This thesis encompasses the work of several people from different research groups through a number of collaborations. In the individual chapters I focussed on my contributions within these collaborations from the work of the other members. However, as the nature and beauty of scientific collaborations is the mutual sharing and learning that is beneficial and inspiring for all participants, it is impossible to fully isolate my part from the final results. In the individual chapters of this thesis I nevertheless tried to clarify my contributions.

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