Heat assisted spin-transfer torque manipulation on the nanoscale using a spin-polarized scanning tunneling microscope

Abstract

Within the framework of this Ph.D. thesis, spin-transfer torque manipulation on the local scale is demonstrated by means of spin-polarized scanning tunneling microscopy (SP-STM).

The experiments presented are performed on Fe/W(110) monolayer nanoislands, a system exhibiting uniaxial anisotropy. As a first step, the intrinsic, thermally induced switching behavior of several individual nanoislands is investigated as a function of the temperature. The energy barrier and the attempt frequency for the magnetization reversal are determined and analyzed as function of the island size and shape. The reversal is found to occur via domain wall nucleation and propagation through the nanostructure.

Elevated spin-polarized tunnel currents are utilized to manipulate the thermally activated magnetization reversal. The local current injection from the magnetic probe tip leads to a distinct modification of the intrinsic switching behavior. The contributions of spin torque and Joule heating are identified and quantified. Spatially resolved measurements to analyze the modified switching behavior as a function of the lateral position of current injection reveal the role of the Oersted field.

Further, heat assisted spin-torque magnetization switching of individual, quasi-stable nanostructures is demonstrated. The effect of spin-polarized current pulses on a static magnetization is investigated at fixed bias polarity. Experiments with varying pulse parameters reveal that the spin torque depends on the current polarization. Spin-polarized current pulses and ramps at alternating bias polarity are utilized to reliably switch the magnetization direction of a nanoisland back and forth. The evaluation of the switching efficiency as a function of the pulse parameters allows for the discrimination and quantification of spin torque and Joule heating. Finally, critical currents for magnetization reversal are determined by the application of triangular current sweeps at different sweep rates. The analysis allows for a comparison of spin torque and Joule heating found by the different manipulation procedures.

Im Rahmen der vorliegenden Dissertation werden Experimente zur lokalen, spinstrominduzierten Manipulation von magnetischen Nanostrukturen mittels spinpolarisierter Rastertunnelmikroskopie (SP-RTM) vorgestellt.

Monolagige Eiseninseln auf einer (110) Wolframoberfläche dienen als Probensystem mit uniaxialer Anisotropie. Zunächst wird das intrinsische, thermisch induzierte Schaltverhalten individueller Nanoinseln als Funktion der Temperatur untersucht. Die Energiebarriere und die Versuchsfrequenz der Magnetisierungsumkehr werden für Inseln unterschiedlicher Größe bestimmt. Die Analyse in Abhängigkeit der Inselgröße und -form zeigt, dass die Magnetisierungsumkehr über die Nukleation und Diffusion einer Domänenwand durch die magnetischen Partikel erfolgt.

Durch den Einsatz hoher, spin-polarisierter Tunnelströme wird das thermisch aktivierte Schaltverhalten verschiedener Eiseninseln manipuliert. Die lokale Injektion des spin-polarisierten Tunnelstroms mit Hilfe der RTM Spitze führt zu einer Modifikation des intrinsischen Schaltens. Spindrehmoment-Übertrag (engl. Spin-transfer torque) und Joule’sches Aufheizen werden als auftretende Effekte herausgearbeitet und quantifiziert. Zusätzlich machen lateral aufgelöste Experimente den Einfluss des Oerstedfeldes auf das Schaltverhalten sichtbar.

Die wärmeunterstützte Manipulation quasistabiler Nanoinseln durch den Übertrag von Spindrehmoment wird demonstriert. Zunächst werden bei fester Stromrichtung spin-polarisierte Strompulse verschiedener Länge und Amplitude verwendet um die Magnetisierung einer Eiseninsel zu schalten. Durch die Variation der angelegten Probenspannung wird die Polarisationsabhängigkeit des Spindrehmoments gezeigt. Anschließend wird die Magnetisierung einer Insel aus rund 40 Atomen durch Strompulse alternierender Polarität gezielt und reversibel geschaltet. Die Unterscheidung und Abschätzung der Effekte von Spindrehmoment und Joule’schem Aufheizen erfolgt anhand der Schaltwahrscheinlichkeit in Funktion der Pulshöhe, Pulslänge und Pulsrichtung. Die Verwendung von Stromrampen bei verschiedenen Rampengeschwindigkeiten schließlich erlaubt die direkte Bestimmung der kritischen Stromdichte für die Magnetisierungsumkehr der Nanoinseln.