Magnetic nanowires and nanotubes with modulated diameters

Abstract

In this dissertation different material systems of magnetic nanostructures are presented, either on the one hand, nanowires and on the other hand, nanotubes. These nanostructures should work as models for the implementation of new data storage applications which should be realized with the controlled motion of magnetic domain walls. Anodic alumina membranes are utilized as templates in which mild and hard anodizations were combined to yield modulations in pore diameter. These diameter modulations should act as nucleation points for the controlled pinning and depinning of domain walls. Nanowires are fabricated by electrodeposition and nanotubes by atomic layer deposition(ALD). Their magnetic properties strongly depend on the presence of diameter modulations both on the ensemble scale and at the single-object level. Theoretical modeling emphasize the major influence of the magnetostatic interactions between neighboring wires and tubes. In the first section, nickel nanowires are presented. In single-object measurements it is possible to observe hints of domain wall pinning in some cases. That the pinning occurs at the modulation remain to be shown and should be shown in future studies. Additionally, in the nanowires presented here the pinning is not systematic. Most likely, the energy difference of a domain wall between thick and thin wire segments is too small with respect to the influence of magnetocrystalline anisotropy and thermal fluctuations. Such factors would introduce a stochastic component into the pinning phenomena. Further, the presence of modulations also affect the magnetic properties of wire ensembles. In a simple theoretical framework it is possible to account for the differences between the various types of modulated wires and calculate their enhanced interaction in the array. The model show limitations for multiple modulations: it is considered this as a likely sign that the diameter modulations influence either the nucleation domain boundaries or their propagation. In the second part, iron III oxide nanotubes are presented. It is shown, that also here designed structural irregularities have consequences of prime importance on the magnetic characteristics of the tubes as in nanowires. Last, nickel and nickel/ cobalt nanotubes are introduced. Starting from nickel, this is the first time the nickel/ cobalt alloy is successfully synthesized by ALD from nickelocene, cobaltocene and ozone. The results demonstrate the validity of utilizing porous alumina as a template system for the creation of 3D-nanoobjects modulated in diameter like the prior shown iron III oxide nanotubes.

In dieser Arbeit werden verschiedene magnetische Materialsysteme, zum einen als Nanostäbchen und zum anderen als Nanoröhrchen, vorgestellt und deren magnetische Eigenschaften untersucht. Diese Nanostrukturen können als Modell- systeme für Anwendungen neuartiger Speichermedien verwendet werden, welche mit Hilfe der kontrollierten Domänenwandbewegung arbeiten. Anodische Aluminium- oxidmembranen werden als Templat verwendet, wobei harte und milde Anodisierung kombiniert wird, um so Durchmessermodulationen im Porendurchmesser zu erhal- ten. Diese Durchmesservariationen sollen als Nukleationspunkte für das kontrollierte Pinnen und Depinnen von Domänenwänden dienen. Nickel Nanostäbchen werden durch Elektrodeposition und Eisenoxid, Nickel und Nickel/ Cobalt Nanoröhrchen werden durch Atomlagenabscheidung(ALD) hergestellt. Die magnetischen Eigen- schaften dieser Nanostrukturen hängen von der Existenz der Modulationen ab, ob nun als Ensemble vermessen, aber auch in Einzel-messungen läßt sich dies bestätigen. Theoretische Modelle unterstreichen die große Bedeutung der magnetostatischen Wechselwirkungen zwischen benachbarten Stäbchen und Röhrchen. Das Präperationskonzept läßt sich ohne weiteres auf andere Systeme übertragen. Zunächst werden Nickel Nanostäbchen vorgestellt. Einzel-objekt Messungen weisen auf, dass in manchen Fällen ein Domänenwandpinnen auftritt. Ein direktes Pinnen an der Modulation kann noch nicht gezeigt werden. Es erweist sich auch, dass das Pinnen, der hier gezeigten Nanostäbchen, nicht systematisch ist. Wahrscheinlich ist der Unterschied der Energiedifferenz der Domänenwände zwischen dicken und dünnen Segmenten der Stäbchen zu klein im Gegensatz zum Einfluss der magnete- tokristallinen Anisotropie und zum Einfluss von thermischen Fluktationen. Solche Faktoren führen eine stochastischeKomponente im Pinningprozess ein. Ferner zeigen die Ensemble Messungen auch den Einfluss der Durchmesservariationen. In einem einfachen theoretischen Modell ist es möglich die Unterschiede zwischen den verschiedenen modulierten Proben zu berücksichtigen und deren Wechselwirkungen zu berechnen. Das Modell kann mehrfach modulierte Proben nicht ausreichend beschreiben, es wird als Anzeichen gedeutet, dass die Durchmesservariationen die Entstehung und Ausbreitung von Domänenwänden beeinflussen. Als zweites werden Eisenoxid Nanoröhrchen präsentiert. Auch hier wird der Einfluss der Probenmodulationen auf das magnetische Verhalten gezeigt, genau wie bei den Nanostäbchen. Zuletzt werden Nickel und Nickel/ Cobalt Nanoröhrchen vorgestellt. Ausgehend vom Nickel, wird hier ist das erste Mal die erfolgreiche Synthetisierung von Nickel/ Cobalt als Legierung durch ALD von Nickelocene, Cobaltocene und Ozon gezeigt. Die Ergebnisse unterstreichen die erfolgreiche Verwendung von anodischen Alu- miniumoxid Membranen als Templatsystem zur Herstellung von 3D-Nanoobjekten mit kontrollierten Durchmesservariationen, genauso wie bei den zuvor gezeigten Eisenoxid Röhrchen.