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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-67837
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2014/6783/


Magnetotransport in Co/Pt-Schichtsystemen und Charakterisierung einzelner Co/Pt-Nanoteilchen

Heße, Simon

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Freie Schlagwörter (Deutsch): Co/Pt-Multilage , Magnetowiderstand , Anomaler Hall-Effekt , Mizellen , magnetische Nanoteilchen
Freie Schlagwörter (Englisch): Co/Pt multilayer , magnetoresistance , anomalous Hall effect , micelles , magnetic nanodots
Basisklassifikation: 33.61 , 33.68 , 33.75
Institut: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Oepen, Hans Peter (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 28.03.2014
Erstellungsjahr: 2014
Publikationsdatum: 10.07.2014
Kurzfassung auf Deutsch: Die vorliegende Arbeit gliedert sich in zwei Teile. Im ersten Teil werden Magnetowiderstands(MR)-Untersuchungen an Pt/Co/Pt-Schichtsystemen durchgeführt. Die polykristallinen Proben werden über eine Kombination zweier Zerstäubungstechniken auf einem SiO2-Substrat hergestellt und weisen eine ausgeprägte fcc(111)-Textur auf. Für die MR-Messungen werden die Proben in einer Drahtgeometrie präpariert, wobei der Strom entlang der langen Achse der Strukturen eingeprägt wird. Bei der Ausrichtung der Magnetisierung entlang der Probennormalen (polare Geometrie, ρ_p) zeigt sich gegenüber einer Ausrichtung in der Probenebene senkrecht zum Strom (transversale Geometrie, ρ_t) ein höherer spezifischer Längswiderstand: ρ_p > ρ_t. Dieser Befund lässt sich weder mit dem anisotropen Magnetowiderstandseffekt (AMR), der in Kobalt der dominierende MR-Effekt im Längswiderstand ist, noch über den ebenfalls in Kobalt auftretenden geometrischen Größeneffekt (GSE) erklären. Bei einer Rotation der Magnetisierung in der Ebene senkrecht zur Stromrichtung zeigt sich eine cos^2-Abhängigkeit des Effekts. Eine Variation der Kobalt-Schichtdicke d_Co im Bereich 0,8 nm < d_Co < 50 nm zeigt, dass der Effekt im Bereich der Co/Pt-Grenzflächen entsteht. Deshalb wurde er anisotroper Grenzflächen-Magnetowiderstand (AIMR) genannt. Im Bereich kleiner Kobalt-Schichtdicken, in dem eine senkrechte magnetische Vorzugsrichtung der Proben vorliegt, ist die Größe des AIMR mit dem AMR vergleichbar. Ferner zeigt sich, dass der AIMR in Cu/Co/Cu-Schichtsystemen nicht auftritt, so dass dieser Effekt durch das Einfügen einer Kupfer-Zwischenschicht an den Co/Pt-Grenzflächen gezielt ausgeschaltet werden kann. Die beiden im Pt/Co/Pt-Schichtsystem vorhandenen Co/Pt-Grenzflächen liefern sowohl zum AIMR, als auch zur Grenzflächenanisotropie unterschiedliche Beiträge.
Im zweiten Teil der Arbeit wird ein Verfahren zur Präparation und magnetischen Charakterisierung von Co/Pt-Nanopartikeln vorgestellt. Dazu werden zunächst mittels Elektronenstrahllithografie Hall-Kreuze mit Stegbreiten unter 100 nm aus Co/Pt-Schichtsystemen auf einem SiO2-Substrat hergestellt. Anschließend wird eine Monolage mit SiO2-Kernen befüllter Diblock-Copolymer-Mizellen auf die Probe aufgebracht. Die Kerne dienen als Schattenmaske im nachfolgenden Ar^+-Ionenätzprozess. In diesem Prozess wird das Co/Pt-Schichtsystem bis in die Platin-Wachstumslage entfernt, so dass sich unter den Mizellenkernen magnetische Co/Pt-Partikel bilden. Diese Partikel haben Durchmesser von ca. 30 nm und einen mittleren Abstand im Bereich von 100 nm. Zur Durchführung des Ar^+-Ionenätzprozesses wurde ein neuer experimenteller Aufbau realisiert, bei dem die Probe während des Sputterns neutralisiert und der Sputterabtrag mittels in situ-Widerstandsmessungen kontrolliert werden kann. Die magnetische Charakterisierung der Nanopartikel mittels anomalen Hall-Effekts (AHE) zeigt, dass diese bei Raumtemperatur ferromagnetisch sind und einen eindomänigen Grundzustand aufweisen. Mit der vorgestellten Methode konnten einzelne Nanoteilchen mit einem Messsignal von ca. 8 µV und einem Signal-Rausch-Verhältnis von 55 detektiert werden, womit die hohe Sensitivität der Messmethode demonstriert wird. Befinden sich mehrere Nanopartikel auf dem Hall-Kreuz, können die AHE-Signale über ein neu entwickeltes Messverfahren eindeutig den Partikeln zugeordnet werden. Die Abhängigkeit der mittleren Schaltfelder der Teilchen von der Orientierung des äußeren Magnetfelds zeigt, dass die magnetischen Vorzugsrichtungen der Teilchen gegenüber der Probennormalen verkippt sind. Die Temperaturabhängigkeit der Schaltfelder im Bereich von 2,4 K < T < 300 K zeigt Abweichungen des Schaltverhaltens der Teilchen vom Neel-Brown-Modell, deren mögliche Ursachen diskutiert werden.
Kurzfassung auf Englisch: This thesis is divided into two parts. In the first part the magnetoresistance (MR) of Pt/Co/Pt-layered structures is investigated. Utilizing a combination of two sputtering techniques the polycristalline samples are deposited onto a SiO_2 substrate. They exhibit a pronounced fcc(111) texture. For the conduction of the MR measurements the samples are structured into a wire geometry. The current direction is parallel to the wire axis. When the magnetization is oriented along the film normal (polar geometry, ρ_p ), the specific resistivity of the sample is higher compared to an orientation of the magnetization in the film plane perpendicular to the current direction (transverse geometry, ρ_t ): ρ_p > ρ_t .
This finding cannot be explained neither by the anisotropic magnetoresistance effect (AMR) which is the dominating MR effect in the longitudinal resistivity of cobalt, nor by the geometrical size effect (GSE) which is also found in cobalt. The rotation of the magnetization in the plane perpendicular to the current direction leads to a cos^2 -dependence of the effect. By varying the cobalt layer thickness d_Co in the range of 0.8 nm < d_Co < 50 nm it is shown that the new effect occurs at the Co/Pt interfaces. Hence, it is termed anisotropic interface magnetoresistance (AIMR). In the regime of small cobalt layer thickness, where the samples exhibit a perpendicular magnetic anisotropy, the size of the AIMR is comparable to the AMR. As the AIMR is not observed in Cu/Co/Cu-layered structures, it can be eliminated by adding a copper interlayer at the Co/Pt interfaces. Hereby it is shown that the two Co/Pt interfaces of the Pt/Co/Pt-layered structure contribute differently to both the AIMR and the magnetic interface anisotropy.
In the second part of this thesis a method for the preparation and magnetic characterization of Co/Pt nanodots is described. For this purpose Co/Pt Hall crosses with wire widths below 100 nm are prepared on a SiO_2 substrate via electron beam lithography. Then the sample is spin-coated with a monolayer of diblock copolymer micelles which are filled with silica cores. These cores act as a shadow mask in the subsequent Ar^+ sputtering process. During the sputtering process the Co/Pt-layered system is milled until the Pt seed layer is reached. Underneath the silica cores Co/Pt nanodots are formed. These dots have diameters around 30 nm and an average spacing of ca. 100 nm. For the conduction of the A^+ sputtering process a new experimental setup has been built which allows the sample to be neutralized and the progress of the sputtering to be monitored via in situ resistivity measurements. Utilizing the anomalous Hall effect (AHE) as a probe, it
is shown that the dots are ferromagnetic single domain particles at room temperature. With the described method it is possible to detect single nanodots with an AHE-signal as high as 8 µV and a signal-to-noise ratio of 55, demonstrating the high sensitivity of the patterned Hall crosses. In case of several dots being situated in the crossing region of the Hall devices, it is possible to unambiguously assign the dots to their respective signals by utilizing a newly developed measuring technique. The dependence of the average switching fields of the dots on the orientation of the external magnetic field reveals that the magnetic easy axes of the dots are tilted randomly with respect to the film normal. The temperature dependence of the switching fields in the region 2.4 K < T < 300 K shows deviations from the Néel-Brown model. Possible reasons for these deviations are discussed in this thesis as well.

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