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Hamburg, Carl von Ossietzky

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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-92190
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2018/9219/


Interplay between non-collinear magnetism and nanoscale structural properties in epitaxial Fe-based ultrathin films

Wechselwirkung zwischen nicht-kollinearem Magnetismus und nanoskaligen strukturellen Eigenschaften in epitaktischen Fe-basierten ultradünnen Schichten

Finco, Aurore

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SWD-Schlagwörter: Rastertunnelmikroskop , Rastertunnelmikroskopie , Magnetismus , Magnetisches Skyrmion , Dünne Schicht , Oberfläche
Freie Schlagwörter (Deutsch): Spinspiralen , Domänenwande
Freie Schlagwörter (Englisch): STM , Spin spirals , Magnetic ultrathin film , Magnetic skyrmions , Magnetic domain walls
Basisklassifikation: 33.75
Institut: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Wiesendanger, Roland (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 09.07.2018
Erstellungsjahr: 2018
Publikationsdatum: 13.07.2018
Kurzfassung auf Englisch: In view of creating devices taking advantage of the properties of non-collinear magnetic states in ultrathin films, the ability to stabilize and reliably control them is essential. In particular, topological spin configurations like skyrmions exhibit special transport properties and an enhanced stability compared to trivial states.
In this thesis, non-collinear magnetism is studied in epitaxial ultrathin films. In the case of a perfect pseudomorphic growth, an ultrathin film with a thickness of a few atomic layers is an ideal system to study the fundamental features of complex magnetic structures and compare experimental and theoretical results. However, in many situations, the atomic structure of the films is more complicated, because of strain relief for example, and some additional structural patterns are present. The systems become less simple, but a broad range of new phenomena appears. The investigation of the interplay between these nanoscale structural patterns and the non-collinear magnetic states could give some information about the more complex mechanisms which take place in sputtered films and for instance lead to pinning. Pinning reduces the mobility of skyrmions and is currently an obstacle to the development of energy-efficient skyrmion-based devices.
This thesis is a spin-polarized scanning tunneling microscopy study of the magnetic states in Fe-based ultrathin films on Ir(111) which exhibit a structural pattern. The spin spirals and the skyrmions in a Fe triple atomic layer grown on Ir(111) are analyzed in detail. The Fe film is uniaxially relaxed through the formation of dislocation lines which have a large influence on the characteristics of the spirals and the skyrmions. Furthermore, the thermal stability of this system is investigated. A large increase of the period of the spirals with temperature is observed and interpreted using a phenomenological model based on differences in the magnetic properties of each atomic layer. The ability to write and delete the magnetic skyrmions using electric fields is also demonstrated. Besides strain relief effects, patterns can be generated in ultrathin films by the incorporation of H atoms. Several different H superstructures appear in the Fe monolayer and double layer on Ir(111) and modify their magnetic states. A skyrmionic phase can thus be stabilized in the Fe double layer whereas the symmetry of the superstructure dictates modifications of the symmetry of the nanoskyrmion lattice in the Fe monolayer. In the ferromagnetic system Ni/Fe/Ir(111), a triangular dislocation pattern induced by the strain relief is responsible for an unusual behavior of the domain walls. They are strongly pinned on the lines defined by the structural pattern and thus follow long paths rather than minimizing their length.
Kurzfassung auf Deutsch: Die Fähigkeit, nicht-kollineare magnetische Zustände in ultradünnen Schichten zu stabilisieren und verlässlich zu steuern, ist notwendig, um Baulelemente, die ihre Eigenschaften ausnutzen, zu entwickeln. Topologische Spinstrukturen wie Skyrmionen zeigen besondere Transporteigenschaften und eine höhere Stabilität im Vergleich zu trivialen Zuständen.
In dieser Dissertation wird nicht-kollinearer Magnetismus in epitaktischen ultradünnen Schichten studiert. Wenn das Wachstum perfekt pseudomorph ist, ist eine ultradünne Schichte mit einer Dicke von ein paar Atomen ein ideales System, um die Besonderheiten von komplexen magnetischen Strukturen zu studieren, und um experimentelle und theoretische Ergebnisse zu vergleichen. Dennoch ist oft die atomare Struktur der Schichten komplizierter, zum Beispiel wegen des Abbaus von Verspannungen, und zusätzliche strukturelle Muster sind vorhanden. Das System verliert an Einfachheit, aber ein breites Spektrum neuer Phänomene erscheint. Die Untersuchung der Wechselwirkung zwischen diesen nanoskaligen strukturellen Mustern und den nicht-kollinearen magnetischen Zuständen könnte Informationen über die komplexen Mechanismen, die in gesputterten Schichten stattfinden und Pinning erzeugen können, geben. Pinning verringert die Mobilität der Skyrmionen und ist derzeit ein Hindernis für die Entwicklung von energiesparenden Bauelementen, die Skyrmionen benutzen.
In dieser Dissertation wird spin-polarisierte Rastertunnelmikroskopie verwendet, um die magnetischen Zustände in Fe-basierten ultradünnen Schichten auf Ir(111), welche ein strukturelles Muster zeigen, zu untersuchen. Die Spinspiralen und die Skyrmionen in einer dreifachen atomaren Fe-Schicht auf Ir(111) werden detailliert analysiert. Die Fe-Lage ist entlang einer Achse relaxiert durch die Bildung von Versetzungslinien, die einen deutlichen Einfluss auf die Eigenschaften der Spinspiralen und Skyrmionen haben. Außerdem wird die thermische Stabilität dieses Systems erforscht. Eine starke Zunahme der Periode der Spiralen mit der Temperatur wird beobachtet, und mit einem phänomenologischen Modell erklärt, welches beinhaltet, dass die drei atomaren Fe-Schichten verschiedene magnetische Eigenschaften haben. Zusätzlich wird die Möglichkeit demonstriert, die Skyrmionen mit einem elektrischen Feld zu schreiben und zu löschen. Strukturelle Muster können nicht nur durch Abbau von Spannungen erzeugt werden, sondern auch durch den Einbau von H-Atomen in der Fe Schicht. Mehrere verschiedene H-Überstrukturen erscheinen in der Fe-Monolage und der Fe-Doppellage auf Ir(111) und verändern ihre magnetischen Zustände. So wird eine Skyrmionenphase in der Fe-Doppellage stabilisiert, während die Symmetrie der Überstruktur Änderungen der Symmetrie des Nanoskyrmionengitters in der Monolage hervorruft. In dem ferromagnetischen System Ni/Fe/Ir(111) ist ein dreieckiges Muster, das aus dem Abbau von Verspannungen resultiert, verantwortlich für das ungewöhnliche Verhalten der Domänenwände. Sie sind stark an den Linien des Musters gepinnt und folgen Versetzungslinien anstatt ihre Länge zu minimieren.

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