The Magnetic Fine Structure of Thin-Film Elements

Abstract

In this thesis the magnetic fine-structure of thin films and patterned soft-magnetic thin-film elements is investigated via Scanning Electron microscopy with Polarization Analysis (SEMPA) and magnetotransport measurements. Such small ferromagnets display a variety of domain configurations which strongly depend on their exact geometry and magnetic history.

Fife topics are discussed in this thesis. They are in particular: - The characteristics of our newly designed scanning electron microscope with polarization analysis (SEMPA or Spin-SEM) for the acquisition of magnetic images. Core component is the spin detector, based on the scattering of low-energy electrons (LEED) at a W(100) surface in ultra-high vacuum (UHV). Optimization of the instrument, long time stability of the detector, sample preparation, details of the data analyzing process and the newly installed cryostat are discussed. - The evolution of the magnetic domain pattern in temperature driven spin-reorientation transition in NdCo5 thin films. A reversible transformation of the domain pattern is observed and the ratio K1/K2 was obtained from the images of the domain evolution. - The magnetic fine-structure of single (sub)micron-sized permalloy rectangles with a thickness of 20 nm and an aspect ratio of 2:1 is investigated with SEMPA and magnetotransport measurements. The focus is on the influence of magnetostatic coupling in arrays of rectangles and the influence of the magnetic history on the actual domain configuration. The magnetic fine-structure of the Landau state is found to be strongly sensitive to stray fields. The energy density of micromagnetic states is obtained from anisotropic magnetoresistance hysteresis loops. - The seeding of domain walls in soft magnetic nanowires. The predominant domain wall configuration in dependence on the geometry of the nanowires and the orientation of the (domain wall) seeding field is investigated. A method for the deliberate tuning of domain wall properties is presented. - The manipulation of aforementioned domain walls via (spin-polarized) currents. The transformation of a domain wall was observed via SEMPA and the magnetotransport technique was utilized to investigate the magnetically switching of nanowires caused by external fields and supported by electrical currents. A separation of the influence of Oersted-field, temperature and spin-torque effects on the switching behavior is realized.

The experimental investigations via imaging techniques (SEMPA) and integrative methods (magnetotransport) are numerically supported and quantified with micromagnetic simulations.

Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurde die magnetische Feinstruktur von dünnen Filmen und Dünnschichtelementen sowohl mit Rasterelektronenmikroskopie mit Polarisationsanalyse als auch mit Magnetotransportmessungen untersucht. Weichmagnetische mikrometergroße Ferromagnete zeigen eine Vielzahl von Domänenkonfigurationen welche stark von der exakten Geometrie und der magnetischen Geschichte abhängen.

Im Einzelnen wird in dieser Arbeit über fünf Themen berichtet: - Die Eigenschaften unseres neu entwickelten Rasterelektronemikroskops mit Polarisationsanalyse (SEMPA oder Spin-SEM) für die Aufnahme von magnetischen Bildern. Optimierung des Instruments, Langzeitstabilität des Detektors, Probenvorbereitung, Datenanalyse und der neu installierte Kryostat werden diskutiert. - Die Entwicklung des magnetischen Domänenmusters während des temperaturgetriebenen Spin-Reorientierungsübergangs in dünnen NdCo5 Filmen. Ein reversibles Domänenmuster wird beobachtet und das Verhältnis K1/K2 wurde aus den Bildern der Domänenentwicklung bestimmt. - Die magnetische Feinstruktur einzelner (sub) mikrometergroßer Permalloy Rechtecke mit einer Dicke von 20 nm und einem Seitenverhältnis von 2:1 wird mit SEMPA und Magnetotransportmessungen untersucht. Der Schwerpunkt liegt auf dem Einfluss der magnetostatischen Kopplung in Gittern von Rechtecken und dem Einfluss der magnetischen Geschichte auf die tatsächliche Domänenkonfiguration. Die magnetische Feinstruktur der Landauzustandes erweist sich als hochempfindlich auf magnetostatische Streufelder. Die Energiedichte von bestimmten mikromagnetischen Zuständen wurde aus Hystereseschleifen unter Zuhilfenahme des anisotropen Magnetowiderstandes bestimmt. - Das Einsähen von Domänenwänden in weichmagnetischen Nanodrähten. Die vorherrschende Domänenwandkonfiguration wird in Abhängigkeit von der Nanodrahtgeometrie und der Orientierung des externen Feld untersucht. Ein Verfahren für die absichtliche Veränderung von Domänenwandeigenschaften wird vorgestellt. - Die Manipulation der vorhergenannten Domänenwände durch (spin-polarisierte) Ströme. Die Umwandlung von Domänenwänden wurde mit SEMPA beobachtet und Magnetotransportmessungen werden genutzt um das magnetische Schalten von Nanodrähten, hervorgerufen durch äußere Felder und unterstützt durch elektrische Ströme, zu untersuchen. Eine Trennung der von Oersted-Feld, Temperatur- und Spin-Torque-Einflüsse auf das Schaltverhalten ist realisiert worden.

Die experimentellen Untersuchungen mit bildgebenden Verfahren (SEMPA) und integrative Methoden (Magnetotransport) werden numerisch unterstützt und quantifiziert unter Zuhilfenahme mikromagnetischer Simulationen.