Untersuchungen zur Wechselwirkung von magnetischen Nanostrukturen mittels Magnetotransport

Abstract

In der vorliegenden Arbeit werden zwei Themen behandelt. Im ersten Themenkomplex wird mit zwei verschiedenen Ansätzen versucht eine sogenannte „current perpendicular to plane“ (CPP) Geometrie zu realisieren, um den anisotropen Grenzflächenmagnetowiderstand (AIMR) auch in dieser Geometrie nachzuweisen. Zunächst wird mit Hilfe eines fokussierten Ionenstrahls (FIB) eine Brückenstruktur in einen 600 nm dicken Pt/Co/Pt-Draht strukturiert. Im ersten der zwei Struturierungsschritte wird der Draht bis auf etwa 500 nm verschmälert. Im zweiten Schritt werden, nachdem die Probe um ca. 89° gedreht worden ist, zwei seitliche Einschnitte vorgenommen. Die Einschnitte beginnen unten bzw. an der Oberseite des Drahtes und reichen mindestens bis über die Co-Schicht hinaus. Die resultierende Nanostruktur hat einen Querschnitt von 400 nm x 500 nm. Wird nun ein Strom eingeprägt, fließt dieser senkrecht zur Co/Pt-Grenzfläche der hergestellten Struktur. Der zweite Ansatz nutzt nasschemische Verfahren und Lithographietechniken, um zylinderförmige Nanostrukturen mit einem Durchmesser von 200 nm und einer Höhe von 100 nm herzustellen. Sie bestehen ebenfalls aus Pt/Co/Pt und besitzen oben und unten angebrachte Kontaktflächen, so dass der Strom senkrecht zur Grenzfläche der Nanostruktur fließen muss.

Im zweiten Teil der Arbeit werden ebenfalls in einer Kombination aus Lithographie- und Ätztechniken zylinderförmige Pt/Co/Pt-Nanostrukturen mit Durchmessern von ≈ 50 nm hergestellt. Sie weisen eine Grenzflächenanisotropie auf, die zu einer leichten Achse der Magnetisierung führt, welche senkrecht zur Strukturebene steht. Der in dieser Gruppe entwickelte Herstellungsprozess ist optimiert worden, um gezielte Anordnungen von Nanostrukturen zu erzeugen und deren Wechselwirkung untereinander zu untersuchen. Es werden drei Nanostrukturen so auf einem Hall-Kreuz angeordnet, dass sie die Ecken eines gedachten gleichseitigen Dreiecks bilden. Die Abstände der Strukturen zueinander betragen ≈ 30 nm, sodass messbare magnetostatische Wechselwirkungen auftreten. Als Messsonde dient der anomale Hall-Effekt (AHE), mit dessen Hilfe das magnetische Moment, Streufelder sowie die Anisotropiekonstanten der Nanostrukturen bestimmt werden können. Im Anschluss wird der Einfluss der Wechselwirkung auf die Schaltfeldverteilung (SFD), die Besetzung eines superparamagnetischen Nanopunktes und das korrelierte Schalten destabilisierter Nanostrukturen untersucht. Experimentelle Ergebnisse werden mit Hilfe theoretischer Überlegungen Thiavilles, innerhalb des Stoner-Wohlfarth-Modells sowie mit Hilfe der Arbeiten von Néel and Brown erklärt.

In this thesis two topics are discussed. In the first part, two different approaches are used to realize a current perpendicular to plane (CPP) geometry in order to detect the anisotropic interface magnetoresistance (AIMR) also in this geometry. In one approach a bridge structure is patterned into a 600 nm thick Pt/Co/Pt wire with a focused ion beam (FIB). The FIB process consists of two steps. In the first step the wire is narrowed to around 500 nm. In the second step two side-cuts are made after tilting the sample by about 89°. One cut starts from the bottom the other from the top of the wire resulting in a cross-section of the device of 400 nm x 500 nm. When a current is applied it has to flow in the vertical direction through the device that has been fabricated. The second approach uses wet chemical methods, as well as lithography techniques, to produce cylindrical nanostructures that are about 200 nm in diameter and 100 nm in height. These nanostructures are also made from Pt/Co/Pt and have contact pads on the top and bottom so that an applied current flows perpendicularly through the nanostructure.

In the second part of the thesis, cylindrical Pt/Co/Pt nanostructures with a diameter of ≈ 50 nm are produced with a combination of lithography and low energy ion-milling techniques. They exhibit an interface anisotropy resulting in an easy axis of the magnetization perpendicular to the film plane. Based on previous works, the manufacturing process is optimized and three nanostructures, that forms the corners of an equilateral triangle, are placed on a Hall cross. A minimum spacing of 30 nm between the nanostructures is realized to ensure measurable magnetostatic interactions. The anomalous Hall effect (AHE) serves as a measuring probe to determine the magnetic moment, the stray field, and the anisotropy constants of the nanostructures. Furthermore, the influence of the interaction on the switching field distribution (SFD), the occupation of a superparamagnetic nanostructure and the correlated switching of destabilized nanostructures are investigated. Experimental findings are explained within the theoretical framework of Thiaville, the Stoner-Wohlfarth model and by means of works by Néel and Brown.