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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-50641
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2011/5064/


Abbildung von magnetischen Mikrostrukturen mittels Fourier-Transformations-Holografie

Imaging Magnetic Microstucture by Fourier-Transform-Holography

Stickler, Daniel

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SWD-Schlagwörter: Mikromagnetismus , Holographie , Fourier-Hologramm , Schnelle Fourier-Transformation , Röntgenweitwinkelstreuung , Röntgen-Kleinwinkelstreuung , Nanos
Freie Schlagwörter (Englisch): Micromagnetism, magnetic Multilayers, Spin-reorientation, Fourier-Transform-Holography, FTH, XMCD, Soft x-ray holographic microscopy
Basisklassifikation: 33.18 , 33.05 , 33.75 , 33.16 , 33.61
Institut: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Oepen, Hans Peter (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 04.11.2010
Erstellungsjahr: 2010
Publikationsdatum: 30.03.2011
Kurzfassung auf Deutsch: Im Rahmen dieser Arbeit wird die magnetische Mikrostruktur von Multilagensystemen sowohl im als auch nahe des Spin-Reorientierungsübergangs untersucht. Die magnetischen Abbildungen werden mit der Fourier-Transformations-Röntgenholografie (FTH) aufgezeichnet. Die Schwerpunkte dieser Arbeit liegen zum einen auf der Erweiterung der experimentellen Möglichkeiten der FTH und zum anderen auf der Untersuchung der Domänengröße von Multilagensystemen mit uniaxialer Anisotropie, sowie den Zusammenhängen zwischen der Domänengröße und den Anisotropiekonstanten erster und zweiter Ordnung. Zu Beginn werden die Erweiterungen der FTH vorgestellt. Die magnetische FTH konnte durch die Modifikation der Holografieprobe für die Abbildung einer Magnetisierungskomponente in der Ebene genutzt werden. Des Weiteren wurde ein Holografieaufbau realisiert, mit dem es möglich ist, jeden Punkt einer semi-transparenten Membranprobe durch eine Hologrammaufzeichnung und die anschließende Bildrekonstruktion abzubilden. Mit diesem Holografiemikroskop wurde die Domänenstruktur einer Co/Pt-Multilage mit einem zusätzlichen Eisenkeil analysiert. Bei einer 2 nm Pt-Zwischensicht, zeigen sich bei einer geringen Fe-Bedeckung nur geringfügige Änderungen der Domänenstruktur. Bei 2 nm Fe konnte eine stufenartige Abnahme beobachtet werden. Die ergänzende Analyse von Hysteresekurven zeigt, dass durch die zunehmende Eisenbedeckung der Co/Pt-Multilage ein Phasenwechsel von einer senkrechten zu einer gekippten Magnetisierung stattfindet. Es wurde ein theoretisches Modell zur Berechnung der Gleichgewichtsdomänengröße von Einzel- und Multilagen innerhalb des Spin-Reorientierungsübergangs mit gekippter Magnetisierung neu entwickelt. Es zeigt, dass die Domänengröße im wesentlichen von der uniaxialen Anisotropiekonstanten zweiter Ordnung (K_2) abhängt. Wenn sich die effektive Anisotropiekonstante erster Ordnung ändert, wird bei konstantem K_2 der Abbau der magnetostatischen Energie nicht durch eine weitere Abnahme der Domänengröße, sondern durch die Vergrößerung des Kippwinkels vorangetrieben. Diese Abhängigkeit der Domänengröße kann verwendet werden, um mit einer magnetischen Mikrostrukturabbildung die lokalen Veränderungen beider Anisotropiekonstanten infolge eines Wandels der Domänengröße und der Änderung des magnetischen Signals zu berechnen. Diese Berechnungen werden anhand einer anisotropiemodifizierten Multilage demonstriert. Die Multilage wurde durch einen moderierten flächigen Ionenbeschuss verändert, ohne dabei magnetisches Material abzutragen. Es wird demonstriert, dass durch eine Siliziumnitrid-Schicht ein Teil der Energie und der Ionen absorbiert wird, so dass die magnetischen Eigenschaften der Multilage trotz der hohen Ionendosis nur leicht beeinflusst werden. Mit einer neuartigen Strukturierungsstrategie wird im Anschluss nanostrukturierte Multilagen präpariert. Es wurden mit FIB 50 nm Löcher in einem quadratischen Gitter mit 200 nm Abstand durchgehend in eine Co/Pt-Multilage strukturiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die senkrechte Ausrichtung der Magnetisierung nicht verloren geht. Mit FTH werden der entmagnetisierte Zustand und das Ummagnetisierungsverhalten untersucht. Im letzten Teil der Arbeit wird der Aufbau eines in situ-Magnetotransport-Messsystems innerhalb einer UHV FIB/REM-Zweistrahlanlage beschrieben. Mit dem neuen System ist es möglich, Nanostrukturen mit einem fokussierten Ionenstrahl zu strukturieren und mit einer scharfen Nadelspitze zu kontaktieren. Die Nadel wird von einem Mikromanipulator geführt, der mit Piezomotoren sehr präzise Bewegungen der Nadelspitze im sub-nm Bereich durchführen und halten kann. Mit einem im UHV befindlichen Magneten können daraufhin die Magnetowiderstandskurven der Nanostrukturen gemessen werden.
Kurzfassung auf Englisch: In this thesis the characterization of the magnetic microstructure in multilayered systems in and adjacent to the spin reorientation transition is described. The magnetic microstructure is imaged by soft x-ray Fourier transform holography (FTH). The main focus of this thesis is the enhancement of the experimental opportunities with FTH and the analysis of the domain structure of magnetic multilayer systems with uniaxial anisotropy. The question to the correlation between the domain size and anisotropy constants in first and second order is addressed. In the first part, the FTH enhancements are described. Experiments how to use Fourier transform holography to image the in-plane magnetization component are reported. In the following, a new x-ray microscopy technique based on FTH is presented called x-ray holographic microscopy (XHM). Via XHM the sample is separated from the optical part and the whole transparent membrane sample can be imaged by FTH. The XHM setup is used to study the evolution of the magnetic domain structure of a Co/Pt multilayer as function of iron overlayer wedge thickness on top of the 2 nm Pt cap layer. For small Fe-coverage the domain size remains nearly constant, while for 2 nm Fe the domain size is abruptly decreasing. Analysing the hard axis hysteresis loops leads to the conclusion that a transition from perpendicular magnetization to the canted phase occurs for increasing iron overlayer thickness. For theoretical understanding a new model has been developed, that describes the equilibrium domain size of single- and multilayer systems in the phase of canted magnetization. The model leads to the result that in the canted phase the domain size depends only on the second order anisotropy constant (K_2). In the canted phase when the effective first order anisotropy constant (K_1,eff) becomes more negative, while K_2 keeps constant the magneto static energy it not reduced via a continued reduction of the domain size. The energy will be reduced more effectively by magnetization canting. The K_2-dependence of the domain size and the canting angle dependence of K_1,eff and K_2 can be used to calculate local changes of both anisotropy constants. This can be done when the domain size or magnetic signal in a magnetic image changes. The calculation of anisotropy modification will be demonstrated using a sample with modified magnetic properties due to moderated ion bombardment without removing material. The silicon nitride layer of the FTH sample absorbs kinetic ion energy and almost all ions, so that the magnetic properties become just slightly modified. A new milling strategy is used for focused ion beam nanostructuring of a sensitive magnetic multilayer. Arrays of holes with a lattice constant of 200 nm are milled through the multilayer without damaging the out-of-plane anisotropy of the surrounding film. The demagnetized state and the magnetic reversal behaviour of the hole array are analyzed via FTH in an external magnetic field. In the last part, the development of an in situ magnetoresistance measurement setup inside an ultra high vacuum dual beam (FIB/SEM) chamber is described. With the new setup it is possible to carve nanostructures with the focused ion beam from homogeneous film and to contact them electrically with a sharp needle tip. The needle is steered via a micromanipulator with piezo elements to change and hold the needle tip position with sub-nm resolution. The setup is equipped with an electromagnet to obtain magnetoresistance curves of the nanostuctures.

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