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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-68366
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2014/6836/


Simulation of the SP-STM induced magnetization switching of nanowires and nanoislands

Simulation der SP-STM induzierten Magnetisierungsumkehr von Nanodrähten und Nanoinseln

Stapelfeldt, Thim Frederik

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SWD-Schlagwörter: Magnetismus , Monte Carlo , Simulation , Ferromagnetikum , Nanowissenschaften , Rastertunnelmikroskop , Rastertunnelmikroskopie , Superparamagnetismus
Freie Schlagwörter (Deutsch): Domänenwand , Nanodraht , Nanoinsel , kritische Temperatur , reduzierte Curie Temperatur
Freie Schlagwörter (Englisch): domain wall , nanowire , nanoisland , critical temperatures , reduced Curie temperature
Basisklassifikation: 33.61 , 33.75 , 33.25
Institut: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Wiesendanger, Roland (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 21.03.2014
Erstellungsjahr: 2014
Publikationsdatum: 24.07.2014
Kurzfassung auf Englisch: Kryder’s law predicts a doubling of the capacity of commodity hard drive devices every 13 months. However, the capacity did not increase as expected in the past three years. Perhaps today’s hard drive technology does reach its limits?

The present work shall support the development of future storage devices with increased storage capacity. In order to do so the magnetization switching of ferromagnetic particles of only a few nanometer in size has been investigated in the framework of Monte Carlo simulations. A focus of the present work lies on the question if a narrow domain wall could be moved through a hard magnetic nanowire
by means of a spin-polarized tunneling current. By controlling the position of the domain wall one can precisely control the magnetization of the particle. In the simulations the current is induced into the nanowire by the magnetic tip of a scanning tunneling microscope (STM). The tunneling electrons of the polarized current exert a torque on the magnetization of the atoms underneath the tip, which can
lead to a displacement of the domain wall. Additional simulations focus on the superparamagnetic properties of nanoparticles. The influence of the temperature on the magnetization switching of particles with ever decreasing size is investigated. In particular the impact of the shape of the islands on the magnetization switching
is addressed.

A classical Monte Carlo simulation is used, which is based on a single spin update Metropolis algorithm. The studied nanoparticles are arranged in a monolayer with open boundary conditions and consist of 50-1600 atoms. The magnetic moments, thus, the spins of the atoms are described by the Heisenberg model. The atoms interact with each other via the exchange interaction up to third nearest neighbors and exhibit a strong uni-axial magnetic anisotropy lying in-plane.

The simulations reveal that it possible to address and move a single domain wall in a nanowire by means of a spin-polarized tunneling current. Furthermore, it is shown, that magnetic defects present in the wire impede or even prevent a propagation of the domain wall. The defects are described as atoms with altered magnetic properties, which can lead to a pinning of the domain wall. Temperature
dependent simulations of the spin-spin correlation function of the atoms allowed to study the particle’s superparamagnetic properties. From the analysis of the correlation function the critical temperatures have been defined; hence, the temperatures at which the particle changes it’s magnetic properties. A study of the magnetization dynamics of Fe=W(110) nanoislands of different size and shape at
different temperatures in the superparamagnetic regime confirmed experimental results, which found the magnetization dynamics to be strongly dependent on the shape of the islands. This shape dependency is a result of an anisotropic exchange interaction and the underlying switching mechanism.

The simulations presented permit a deeper insight into the switching process of ferromagnetic nanoparticles. The results obtained are helpful for the development of future magnetic storage devices and also for the development of tailored nanostructures, which hinder or favor magnetization reversal.
Kurzfassung auf Deutsch: Das "Kryder Gesetz" sagt eine Verdopplung der Speicherkapazität von konventionellen Festplatten alle 13 Monate voraus. In den letzten drei Jahren hat die Speicherkapazität jedoch nicht wie erwartet zugenommen. Vielleicht stößt die gängige Festplattentechnik inzwischen an ihre Grenzen?

Die vorliegende Arbeit soll dazu beitragen, den Anstieg der Speicherkapazität in Zukunft wieder zu erhöhen. Um das zu erreichen, werden mit Hilfe von Monte Carlo Simulationen das Schaltverhalten von ferromagnetischen Teilchen einer Größe von nur wenigen Nanometern untersucht. Insbesondere befasst sich die Arbeit mit der Frage, ob sich eine schmale Domänenwand mit Hilfe eines polarisierten Tunnelstroms durch einen hart-magnetischen Nanodraht bewegen lässt. Der Tunnelstrom wird dabei durch die magnetische Spitze eines Rastertunnelmikroskops (RTM) in den Nanodraht induziert. Die Tunnel-Elektronen des polarisierten Stromes üben ein Drehmoment auf die Magnetisierung der Atome direkt unterhalb der RTM-Spitze aus und führen dadurch zu einer Verschiebung der Domänenwand. Darüber hinaus werden die superparamagnetischen Eigenschaften, also der Einfluss der Temperatur auf das Schalten von immer kleiner werdenden hart-magnetischen Nanoteilchen ermittelt. Insbesondere wird untersucht, wie die Geometrie der Teilchen das Schalten beeinflusst.

Es wird eine klassische Monte Carlo Simulation verwendet, die auf einem Einzel-Spin-Update Metropolis Algorithmus basiert. Die untersuchten Nanoteilchen sind in einer Monolage mit offenen Randbedingungen angeordnet und bestehen aus 50-1600 Atomen. Die magnetischen Momente der Atome werden durch das Heisenberg Modell beschrieben. Die Atome treten miteinander über einen ferromagnetischen Austausch bis zum drittnächsten Nachbarn in Wechselwirkung und besitzen eine starke magnetische Anisotropie, die zu einer Magnetisierungsausrichtung entlang einer Achse in der Ebene führt.

Die Simulationen zeigen, dass es möglich ist, eine einzelne domänenwand in einem Nanodraht mit Hilfe eines lokal eingespeisten Stromes gezielt zu verschieben. Es wird aber auch gezeigt, dass magnetische Defekte, beschrieben durch Gitterpunkte
mit veränderten magnetischen Eigenschaften, eine erfolgreiche Manipulation der Domänenwand durch Pinning an den Defekten erschweren oder sogar verhindern können. Temperaturabhängige Simulationen ergeben, dass man durch die Auswertung der Korrelationen zwischen den magnetischen Momenten der Atome
die superparamagnetischen Eigenschaften der Teilchen genau definieren kann. Aus den Simulationen lassen sich die kritischen Temperaturen bestimmen, bei denen sich die magnetischen Eigenschaften des Teilchens verändern. Eine Untersuchung
der Magnetisierungsdynamik von Fe=W(110) Nanoinseln weist, wie bereits experimentell vorhergesagt, eine deutliche Abhängigkeit von der Geometrie der Inseln auf. Der Grund hierfür liegt in dem anisotropen Austausch sowie in dem Mechanismus
der Magnetisierungsumkehr.

Die vorgestellten Simulationen geben einen tieferen Einblick in die Schaltprozesse von ferromagnetischen Nanoteilchen. Die daraus gewonnenen Erkennt nisse sind hilfreich für die Entwicklung von zukünftigen magnetischen Speichermedien oder für die Entwicklung maßgeschneiderter Nanostrukturen, in denen eine Magnetisierungsumkehr gezielt erschwert oder erleichtert werden soll.

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