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Titel: Dzyaloshinskii-Moriya-Wechselwirkung epitaktisch gewachsener Co/Ir- und Co/Pt-Grenzflächen
Sonstige Titel: Dzyaloshinskii-Moriya interaction of the epitaxially grown Co/Ir and Co/Pt interfaces
Sprache: Deutsch
Autor*in: Kloodt-Twesten, Fabian
Schlagwörter: Dzyaloshinskii-Moriya-Wechselwirkung; SEMPA; Dzyaloshinskii-Moriya interaction; surface science; solid state physics; scanning electron microscopy; SEMPA
GND-Schlagwörter: Festkörperphysik; Oberflächenphysik; Magnetismus; Elektronenmikroskopie; Rasterelektronenmikroskopie; Epitaxie; Dünnschichttechnik; Beschichten
Erscheinungsdatum: 2020
Tag der mündlichen Prüfung: 2020-09-24
Zusammenfassung: 
Im Fokus der vorliegenden Arbeit steht die Dzyaloshinskii-Moriya-Wechselwirkung (DMI) epitaktisch gewachsener Co/Ir(111)- und Co/Pt(111)-Proben. Mittels der Rasterelektronenmikroskopie mit Polarisationsanalyse (SEMPA) werden Domänenwände in einem Schichtdickenbereich abgebildet, in dem die Magnetisierung der Kobaltlagen eine senkrechte Vorzugsrichtung aufweist. Während die DMI Néelwände mit einem festen Rotationssinn begünstigt, ist die Streufeldenergie für Blochwände minimal. Der mittels SEMPA gemessene Winkel der Magnetisierung in einer Domänenwand wird genutzt, um in einer Energieminimierung die DMI von Co/Ir(111) präzise zu bestimmen und den Wert der DMI von Co/Pt(111) einzugrenzen. Das dazu verwendete analytische Modell wird mit mikromagnetischen Simulationen verifiziert. Untersucht werden thermisch aufgebrachte, nicht-abgedeckte Kobaltlagen auf der (111)-Oberfläche eines Iridium- bzw. Platineinkristalls. Die Proben werden im Ultrahochvakuum hergestellt. Mittels Augerelektronenspektroskopie sowie Niedrigenergie-Elektronenbeugung wird einerseits die Reinheit der Oberflächen geprüft und andererseits die Struktur der Kobaltlagen untersucht. Die Proben werden im Ultrahochvakuum transferiert, sodass die Magnetisierung der Kobaltlagen mittels SEMPA abgebildet werden kann. Das anfänglich pseudomorphe Wachstum mit einer nahezu atomar glatten Grenzfläche zwischen Kobalt und Iridium bzw. Platin bietet eine hohe Vergleichbarkeit zu idealtypischen Systemen, die theoretischen Berechnungen der DMI zugrunde liegen. Daher lässt sich die an der Co/Ir(111)-Grenzfläche bestimmte DMI von -(1,07 +- 0,05) pJ/m als Vergleichswert nutzen, der eine Evaluation verschiedener Berechnungsansätze sowie deren Annahmen in Ab-initio-Berechnungen ermöglicht. Wenn die DMI nicht im mikromagnetischen Kontinuumsbild auf die (Grenz-)Fläche, sondern auf eine Bindung zwischen zwei Kobaltatomen der ersten Atomlage bezogen wird, entspricht dies einer Energie von -(1,04 +- 0,05) meV.

Des Weiteren wird im Rahmen der vorliegenden Arbeit experimentell belegt, dass die Co/Pt- und die Co/Ir-Grenzfläche DMI-Konstanten unterschiedlichen Vorzeichens hervorrufen. Es ist daher davon auszugehen, dass sich die Beiträge beider Grenzflächen zur DMI addieren, wenn Kobalt in einer Pt/Co/Ir-Schichtsequenz zwischen beiden Elementen aufgebracht wird. Dies wurde bereits durch mehrere Ab-initio-Berechnungen der DMI nahegelegt, konnte jedoch durch experimentelle Untersuchungen der DMI an gesputterten Schichtsystemen bislang nicht reproduziert werden.

Zusätzlich zu den zuvor beschriebenen Untersuchungen wird im Rahmen der vorliegenden Arbeit als Nebenaspekt die zeitaufgelöste SEMPA (TR-SEMPA) weiterentwickelt. Diese Messmethode ermöglicht das Abbilden periodisch getriebener Magnetisierungsdynamik in einem Laborexperiment. Sie bietet zudem die Perspektive, die Dynamik magnetischer Skyrmionen, i.e. Knoten in der Magnetisierung, die durch die DMI stabilisiert werden, zu untersuchen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden die Eigenschaften sowie die experimentellen Möglichkeiten des vorliegenden Aufbaus dargelegt und das weitere Potenzial der TR-SEMPA ausgearbeitet. In einer ersten Anwendung der TR-SEMPA wird die Dynamik gekoppelter, magnetischer Vortizes und Antivortizes in einer Stachelwand untersucht.

This thesis focusses on the Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI) of epitaxially grown Co/Ir(111) and Co/Pt(111) samples. Domain walls are imaged via scanning electron microscopy with polarization analysis (SEMPA) in a thickness range with an energetically preferred perpendicular magnetization of the cobalt layers. While the DMI favors Néel walls with a fixed sense of rotation, the stray-field energy is minimal for Bloch walls. Using the measured angle between the plane of rotation and the domain-wall normal and an energy minimization approach, the DMI of Co/Ir(111) is precisely determined and a value for the DMI of Co/Pt(111) is narrowed down. The applied analytical model is verified by micromagnetic simulations.

Thermally evaporated, uncapped cobalt on the (111) surfaces of an Iridium as well as of a Platinum single crystal is investigated in situ in ultrahigh vacuum. Using Auger electron spectroscopy and low-energy electron diffraction on the one hand, the cleanliness of the surfaces is confirmed. On the other hand, the structure of the cobalt layers is investigated. The grown samples are transferred in ultrahigh vacuum and the magnetization of the cobalt layers is imaged via SEMPA. The initial pseudomorphic growth with an atomically flat interface of cobalt on iridium or platinum ensures comparability to ideal-typical systems, which underlie theoretical calculations of the DMI. Therefore, the determined DMI of -(1,07 +- 0,05) pJ/m from the Co/Ir(111)-interface provides a reference value that enables one to evaluate different approaches of ab initio calculations as well as their assumptions. When the DMI is not stated per unit area of the interface in the micromagnetic continuum model, but per bond between two cobalt atoms at the interface, this corresponds to a DMI energy of -(1,04 +- 0,05) meV. Furthermore, it is experimentally proven in this thesis, that the Co/Pt and the Co/Ir interfaces have opposite signs of the DMI. Hence, it is to be expected that the DMI contributions of both interfaces add up when cobalt is sandwiched in a Pt/Co/Ir stack between both materials. This was already indicated by multiple ab initio calculations of the DMI, but could not be reproduced by experimental investigations of the DMI on sputtered film systems so far.

In addition to the above mentioned-investigation, the time-resolved SEMPA (TR-SEMPA) is advanced further as a side project. This method allows for imaging of periodically driven magnetization dynamics in a convenient lab-based setting. It provides the perspective to investigate the dynamics of magnetic skyrmions, i.e., knots in the magnetization that are stabilized by the DMI. In this thesis the properties as well as technical possibilities of the present setup are set out and the further potential of the TR-SEMPA is elaborated upon. In a first application the dynamics of coupled, magnetic vortices and antivortices in a cross-tie wall is studied by TR-SEMPA.
URL: https://ediss.sub.uni-hamburg.de/handle/ediss/8520
URN: urn:nbn:de:gbv:18-107359
Dokumenttyp: Dissertation
Betreuer*in: Oepen, Hans Peter (Prof. Dr.)
Enthalten in den Sammlungen:Elektronische Dissertationen und Habilitationen

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