Untersuchung der magnetischen Eigenschaften von Systemen reduzierter Dimensionen mittels Magnetotransport und Röntgenholographie

Abstract

Im Rahmen dieser Doktorarbeit wird das magnetische Verhalten von Systemen reduzierter Dimensionen mittels Magnetotransport und Röntgenholographie untersucht. Thema des ersten Kapitels ist die Manipulation von Domänenwänden mithilfe von spinpolarisierten Strömen. Dazu werden Permalloy-Nanodrähte auf einem Diamantsubstrat präpariert und mit einem Kältebad aus flüssigem Stickstoff gekühlt, so dass hohe Gleichstromdichten in der Größenordnung von 2x10^12 A/m² erreicht werden können. In den V-förmigen Nanodrähten werden Domänenwände mithilfe eines externen Feldes eingesät und das magnetische Schalten des Drahtes mittels Magnetotransportmessungen untersucht. Anhand von mikromagnetischen Simulationen können die Details des Schaltprozesses erklärt werden. Durch die Variation der Stromdichte und der magnetischen Struktur des Drahtes kann eine stromgestützte Domänenwandbewegung eindeutig nachgewiesen werden. Durch eine Zuordnung der Stromdichte zur Drahttemperatur können Aussagen über die Temperaturabhängigkeit der Spin-Transfer-Torque-Effizienz gemacht werden. Im zweiten Kapitel wird der Einfluss von externen Feldern und der magnetostatischen Kopplung auf die magnetische Mikrostruktur von Permalloy-Nanorechtecken untersucht. Zunächst wird die Abhängigkeit des Remanenzzustandes vom Winkel eines vorher angelegten externen Magnetfelds diskutiert und das gefundene Verhalten mithilfe von mikromagnetischen Simulationen beschrieben. Die verschiedenen Remanenzzustände weisen in den Magnetotransportmessungen charakteristische Signaturen auf, anhand der sich mikromagnetische Details der Zustände ableiten lassen. Abschließend wird die gegenseitige Beeinflussung unterschiedlicher Remanenzzustände in Rechteckketten untersucht, die auf Grund verschiedener Oberflächenladungen der einzelnen Zustände auftritt. Das dritte Kapitel präsentiert mehrere Beiträge zu einem neu entwickelten Röntgenholographie-Mikroskop. Eine Aufgabe war es, eine Methode zur parallelen Ausrichtung zweier Siliziumnitrid Membranen zu entwickeln, von denen eine die Probe und die andere die so genannte Optik-Maske darstellt. Dabei wird ausgenutzt, dass beide Membranen einen Plattenkondensator bilden, wenn sie mit einem dünnen Metallfilm bedampft sind. Die Kapazität dieses Kondensators hängt vom Abstand der Membranen und ihrem Winkel zueinander ab. Es konnte gezeigt werden, dass die letztere Abhängigkeit ein auf unter 0,1° genaues paralleles Ausrichten der Membranen erlaubt. Eine weitere Aufgabe war die Entwicklung eines Systems, das das Applizieren von magentischen Feldern in Strahlrichtung und in der Probenebene erlaubt. Wegen des kompakten Designs, das auch im Hochvakuum verwendet werden kann, wurde das Konzept einer sogenannten magnetischen Mangel umgesetzt. Bei dieser wird das magnetische Feld mittels vier computergesteuerter, drehbarer Permanentmagneten erzeugt, die durch ihre kontrollierte Überlagerung am Probenort das Anlegen von Feldern mit variabler Stärke und unterschiedlichen Winkeln erlauben.

The subject of this thesis is the characterization of magnetic properties in systems of reduced dimensions via magnetotransport and x-ray holographic microscopy. The first chapter deals with the manipulation of domain walls by spin-polarized currents due to spin-transfer torque. Permalloy nanowires were fabricated on a diamond substrate and cooled via a liquid-nitrogen reservoir, thus enabling the application of direct current densities up to 2x10^12 A/m². Magnetic fields are used to seed domain walls into the V-shaped wires and the magnetic switching of the wire is observed by means of magnetotransport measurements. Details of the switching process can be explained by micromagnetic simulations. By varying the current density and magnetic structure of the wire the current-assisted domain wall depinning can be unambiguously detected. The temperature dependence of the spin-transfer-torque efficiency is deduced by mapping critical current densities to temperature. The topic of the second chapter is the influence of external magnetic fields and magnetostatic coupling on the magnetic microstructure of Permalloy rectangles. At first, the dependence of the remanence state on the angle of a previously applied external magnetic field is determined via SEMPA. Its properties are explained by micromagnetic simulations. Measurements of the magnetoresistance signatures of different remanence states are discussed and compared with simulations. At last, the magnetostatic interaction of different remanence states in linear chains of permalloy rectangles is investigated that arise due to different magnetic surface charges of the remanence states. The third chapter presents several contributions to a newly developed x-ray holographic microscope. One challenge was to develop a reliable method to obtain a parallel alignment of two silicon-nitride membranes, one of which being the sample and the other the so-called optics mask. It is utilized that both membranes form a capacitor when metalized with a thin metallic film. Its capacitance depends on the distance between both membranes as well as on the angle between them. The latter dependence allows for the parallel alignment of the membranes with a precision below 0.1 degree. Another task was to develop a system to apply magnetic fields to the sample and to allow imaging at variable out-of-plane and in-plane fields. A so-called magnetic mangle was chosen because of its compact design suited for use in a high vacuum. The magnetic field originates from motor-driven rotatable permanent magnets and by partial mutual compensation of field components allows for computer-controlled application of fields of different angles and strengths.