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Hamburg, Carl von Ossietzky

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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-100136
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2019/10013/


Surface-sensitive magnetic imaging of polycrystalline and epitaxial ultrathin cobalt films with a perpendicular magnetic anisotropy

Oberflächensensitive magnetische Abbildung von polykristallinen und epitaktischen ultradünnen Kobaltfilmen mit einer senkrechten magnetischen Anisotropy

Kuhrau, Susanne

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SWD-Schlagwörter: Magnetismus , Cobalt , Ultrahochvakuum , Rasterelektronenmikroskop , Sputtern , Einkristall
Freie Schlagwörter (Deutsch): SEMPA , DMI , Spindetektor
Freie Schlagwörter (Englisch): SEMPA , DMI , spindetector
Basisklassifikation: 33.75
Institut: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Oepen, Hans Peter (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 24.09.2019
Erstellungsjahr: 2019
Publikationsdatum: 18.10.2019
Kurzfassung auf Englisch: This PhD thesis presents a study on magnetic domains and domain walls in cobalt-based thin film systems, carried out via scanning electron microscopy with polarization analysis (SEMPA). The first part addresses the process of taking a spin detector that uses an electrostatic beam deflector - and thus is sensitive to the perpendicular component of the magnetization - back into operation, and optimizing the performance of the corresponding SEMPA setup. Minimizing disturbances like mechanical vibrations and electrical noise resulted in a spatial resolution of $2sigma=(16.2pm 0.6)$ nm at a primary beam current of 3 nA. In the following the design of a novel spin detector, customized for this setup, is presented. It is based on low-energy electron diffraction at a monolayer (ML) of gold on an iridium (001) surface and promises an increased sensitivity. Besides modeling the detector via computer-aided-design (CAD) software, also the electron trajectories of the electrons have been simulated and the corresponding potentials of the electrodes have been derived.
The second part of this thesis starts with the experimental investigation of domains and domain walls in an epitaxial cobalt film of varied thickness, grown in-situ on a Pt(111) single crystal. The onset of ferromagnetism is observed at a cobalt thickness of 1.5 ML. Up to a thickness of about 7 ML, the magnetization points perpendicular to the film plane; at higher thicknesses the spin-reorientation transition sets in and the magnetization changes into the film plane. The investigation of the domain walls at 7 ML Co/Pt(111) reveals an exclusive Néel-character and that all walls show a fixed sense of rotation. This observation is ascribed to the strong influence of the Dzyaloshinskii-Moriya interaction present in this system, which is further analyzed based on a domain-size model. Finally, the influence of a non-magnetic cap layer on the magnetic contrast observed in SEMPA is studied on polycrystalline (Pt/Co/Ir) double layers. The samples are prepared ex situ via sputter deposition and are terminated with a Pt-cap layer that is prepared as a wedge with thicknesses ranging from 0 to 2 nm. An energy-dispersive X-ray (EDX) analysis revealed that Pt-cap layers with a thickness above 1.1 nm protect the underlying Co film from oxidation. At this cap-layer thickness a magnetic contrast that is equal to 25 % of the one of a clean uncapped Co film is found which allows the direct investigation of these systems via SEMPA.
Kurzfassung auf Deutsch: Im Rahmen dieser Doktorarbeit werden magnetische Domänenstrukturen in kobaltbasierten Dünnschichtsystemen mittels Rasterelektronenmikroskopie mit Polarisationsanalyse (SEMPA) untersucht. Der erste Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Wiederinbetriebnahme eines Spindetektors, der durch die Verwendung eines Strahlumlenkers auf die senkrechte Magnetisierungskomponente empfindlich gemacht wurde, sowie mit der Optimierung des zugehörigen SEMPA Aufbaus.
Durch die Minimierung von elektrischen Störeinflüssen sowie von mechanischen Schwingungen wurde bei einem Primärstrahlstrom von 3 nA eine Ortsauflösung von $2sigma=(16,2pm 0,6)$ nm erreicht. Zudem wird ein neuartiger, für diesen Aufbau zugeschnittener Spindetektor vorgestellt, der auf der Beugung niederenergetischer Elektronen an einer Gold-Monolage auf der (001) Oberfläche eines Iridium-Einkristalls beruht. Neben der Erstellung der technischen Zeichnungen für den Detektorentwurf wurden die Flugbahnen der Elektronen simuliert und daraus die optimalen Elektrodenpotentiale bestimmt. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird eine experimentelle Untersuchung der schichtdickenabhängigen Eigenschaften der Domänen und Domänenwände in einem Kobaltfilm dargestellt, welcher in-situ epitaktisch auf einer Pt(111)-Oberfläche aufgewachsen wurde. Bei einer Co-Schichtdicke von 1,5 Monolagen (ML) wurde das Einsetzen der ferromagnetischen Ordnung beobachtet. Die Magnetisierung weist bis zu einer Schichtdicke von etwa 7 ML eine Orientierung senkrecht zur Filmebene auf, oberhalb setzt der Spinreorientierungsübergang in die Ebene ein. Eine genauere Untersuchung der Domänenwände des 7 ML Co/Pt(111) Systems weist flächendeckend Néel Wände auf, die alle denselben Drehsinn der Magnetisierungskomponente in der Ebene zeigen. Diese Beobachtung wird auf den starken Einfluss der Dzyaloshinskii-Moriya Wechselwirkung in diesem System zurückgeführt, welche anschließend mit Hilfe eines Domänengrößenmodells analysiert wird. Abschließend wurde anhand von polykristallinen (Pt/Co/Ir)-Doppellagen der Einfluss einer nicht magnetischen Deckschicht auf den in SEMPA beobachtbaren magnetischen Kontrast untersucht. Zu diesem Zweck wurde die oberste Pt-Schicht als Keil mit einer Dicke von 0 bis 2 nm präpariert. Mittels energiedispersiver Röntgenanalyse konnte gezeigt werden, dass ab einer Pt-Schichtdicke von 1,1 nm die darunter liegende Co Schicht effektiv vor Oxidation geschützt ist. Diese Deckschichtdicke erlaubt es 25 % des magnetischen Kontrastes eines sauberen, nichtabgedeckten Co Films zu erhalten, und ermöglicht damit erstmals auch die direkte Untersuchung solcher Systeme mittels SEMPA.

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