Influence of the local grain structure on the magnetization reversal behavior of ferromagnetic Co/Pt nanodots

Abstract

In this thesis the switching behavior of the magnetization of individual ferromagnetic Co/Pt nanodots and an ensemble of ferromagnetic double layer nanodots is studied. All dots were fabricated by a two step electron-beam lithography process and dry etching. Dot diameters down to 35 nm could be obtained on a Pt Hall cross with a width of 80 nm. The z-component of the magnetization of the nanodots was measured using the anomalous Hall effect (AHE). The influence of the local grain structure in the dots on the switching behavior is simulated with micromagnetic simulations and then compared to the experimental results. First an almost coherent switching Co/Pt nanodot is discussed. The temperature dependent switching field is compared with a simple Sharrock equation. The blocking temperature and the anisotropy constant are obtained from the Sharrock fit. Deviations from the fit at very low temperatures (≤ 50 K) are observed. Additionally a three dimensional analysis of the easy axis direction is given. Also an ensemble of double layer nanodots with a 1 nm and a 0.8 nm layer of Co is studied. These layers were expected to be exchange decoupled by a 3 nm thick Pt interlayer. Therefor it was assumed that the two Co layers would switch separately. In the experiments however, a relatively broad switching field distribution is found and no separate reversal could be observed. The size distribution of the ensemble could be obtained from a SEM micrograph. For a virtual ensemble of 10 000 dots with a size distribution as measured, the influence of the different shape anisotropies due to the size distribution on the switching field distribution is calculated. These calculated distributions are compared to the experimental results. From this it can be concluded why the experimental switching field distributions become broader for lower temperatures. It is assumed that the influence of the local grain structure causes the broader experimental switching field distribution than the distributions found in the calculations. In the second part two nanodots with clearly non-coherent reversal behavior are studied. The magnetization switches in two steps at lower temperatures, which results in two jumps in the hysteresis curve. From size, anisotropy and exchange stiffness, coherent rotation of a macrospin according to the Stoner-Wohlfarth model was expected, which would have resulted in one jump of the hysteresis only. The temperature dependence of both jumps in the hysteresis curves are discussed and the angular dependence of the switching field is studied at constant temperature. Finally these results are compared to micromagnetic simulations that were done using mumax3. In these simulation it is assumed that the nanodot consists of grains, as the polycrystalline films from which the dots were fabricated. It is found that the observed non-coherence reversal is not caused by the lack of exchange interaction between the grains. In fact, tilting of the crystallographic axes in the grains can cause inhomogeneous magnetization states and non-coherent switching behavior. A simplified two grain model is used to investigate three different main tilting configurations of the crystallographic axes in the grains. For each configuration the influence of smaller and higher tilting angles was studied. In the first configuration a Bloch-like domain wall with a reduced wall angle is found. For stronger tilting the grains switch separately and a second jump occurs in the hysteresis curve. In the second tilting configuration quasi-coherent switching occurs for all angles. In configuration 3 only one grain is tilted and a Néel-like wall with a reduced wall angle is obtained for strong tilting. The grains switch also separately for strong tilting, which causes a second jump in the hysteresis curve. This last configuration exhibits surprising similarities in the hysteresis curves with the experimentally found results, when the magnetic field is applied in various directions.

In dieser Arbeit wird das Schaltverhalten der Magnetisierung einzelner ferromagnetischer Co/Pt Nanopunkte und eines Ensembles ferromagnetischer Doppellagen Nanopunkte untersucht. Die Dots wurden durch zwei Elektronenstrahllithographie-Schritte und Trockenätzen hergestellt. Durchmesser kleiner als 35 nm konnten auf einem 80 nm breitem Hall Kreuz erreicht werden. Die z-Komponente der Magnetisierung wurde mit dem anomalen Hall-Effekt (AHE) gemessen. Der Einfluss der lokalen Kornstruktur in den Nanopunkten auf das Schaltverhalten wurde mittels mikromagnetischen Simulationen untersucht und mit den experimentellen Ergebnissen verglichen. Als erstes wird ein nahezu kohärent schaltender Co/Pt Nanopunkt betrachtet. Das temperaturabhängige Schaltfeld wird mit einer einfachen Sharrock-Gleichung verglichen. Die „Blocking“-Temperatur und die Anisotropiekonstante können aus der Sharrock-Anpassung erhalten werden. Bei sehr niedrigen Temperaturen (≤ 50 K) werden Abweichungen von der Anpassung beobachtet. Außerdem wird eine dreidimensionale Analyse der Richtung der leichten Anisotropie Achse durchgeführt. Anschließend wird ein Ensemble von Doppellagen Nanopunkten mit einer 1 nm und einer 0,8 nm dicken Co Schicht untersucht. Es war ursprünglich erwartet worden, dass diese Schichten durch eine 3 nm dicke Pt Zwischenschicht austauschentkoppelt ist. Daher wurde angenommen, dass die Magnetisierung der beiden Co Schichten einzeln schalten. In Experimenten wird jedoch eine relativ breite Schaltfeldverteilung gemessen und kein entkoppeltes Schaltverhalten beobachtet. Die Größenverteilung des Ensembles wurde mittels REM bestimmt. Für ein virtuelles Ensemble von 10.000 Punkten mit der gemessenen Größenverteilung, wird der Einfluss der unterschiedlichen Formanisotropien aufgrund der Größenverteilung auf die Schaltfeldverteilung berechnet. Diese berechneten Verteilungen werden mit den experimentellen Ergebnissen verglichen. Daraus kann geschlossen werden, warum die experimentellen Schaltfeldverteilungen bei niedrigeren Temperaturen breiter werden. Es wird vermutet, dass der Einfluss der lokalen Kornstruktur die breitere experimentelle Schaltfeldverteilung verursacht als die Berechnungen zeigen. Im zweiten Teil werden zwei Nanopunkte mit deutlich inkohärentem Schaltverhalten untersucht. Die Magnetisierung schaltet in zwei Schritten, bei tieferen Temperaturen entstehen zwei Sprünge in den Hysteresekurven. Aufgrund der Größe, Anisotropie und Austauschsteifigkeit wurde jedoch kohärente Rotation eines Makrospins, wie durch das Stoner-Wohlfarth-Modell beschrieben, erwartet, wobei dann nur ein Sprung in den Hysteresekurven sichtbar wäre. Die Temperaturabhängigkeit beider Sprünge in den Hysteresekurven wird diskutiert und die Winkelabhängigkeit des Schaltfeldes bei konstanter Temperatur untersucht. Schließlich werden diese Ergebnisse mit mikromagnetischen Simulationen verglichen, die mit mumax3 durchgeführt wurden. In diesen Simulationen wurde angenommen, dass der Nanodot aus Körnen besteht, wie der ursprüngliche polykristalline Film aus dem die Dots hergestellt wurden. Es zeigt sich, dass die Inkohärenz im Schaltverhalten nicht durch die fehlende Austauschwechselwirkung zwischen den Körner verursacht wird. Tatsächlich kann ein Kippen der kristallographischen Achsen in den Körnern inhomogene Magnetisierungszustände und ein inkohärentes Schaltverhalten hervorrufen. Ein vereinfachtes Zweikörnermodell wird verwendet um drei verschiedene Verkippungskonfigurationen der Anisotropie Achsen zu betrachten. Für jede Konfiguration wurde der Einfluss von kleineren und größeren Verkippungswinkeln untersucht. In der ersten Konfiguration wird eine Bloch-Wand ähnliche Domänenwand mit reduziertem Wandwinkel gefunden. Für größere Verkippungswinkel schalten die Körner einzeln und ein zweiter Sprung in der Hysteresekurve tritt auf. In der zweiten Konfiguration schaltet die Magnetisierung quasi kohärent für alle Verkippungswinkel. In der dritten Konfiguration wird nur ein Korn verkippt und es tritt für große Verkippungswinkel eine Néel-ähnliche Domänenwand mit reduziertem Wandwinkel auf. Die Körner schalten für starke Verkippung auch getrennt, was einen zweiten Sprung in der Hysteresekurve verursacht. Diese letzte Konfiguration zeigt überraschende Ähnlichkeiten in den Hysteresekurven mit den experimentell gefundenen Ergebnissen für in unterschiedlichen Richtungen angelegte Magnetfelder.