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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-95956
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2019/9595/


Nanoscale non-collinear magnetic structures in Co-based epitaxial ultrathin films

Nanoskalige nicht-kollineare magnetische Strukturen in Co-basierten epitaktischen ultradünnen Schichten

Perini, Marco

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Freie Schlagwörter (Englisch): Skyrmion, domain wall, Co, NCMR
Basisklassifikation: 33.05 , 33.61 , 33.68 , 33.75
Institut: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Wiesendanger, Roland (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 15.02.2019
Erstellungsjahr: 2019
Publikationsdatum: 21.02.2019
Kurzfassung auf Englisch: Magnetic skyrmions are localized non-collinear spin configurations with non-trivial topology, which gives them stability against external perturbations. For this reason these objects could be the fundamental information carriers for the next generation of data storage devices. Among the different materials where skyrmions have been observed, several Co-based systems have shown the possibility to stabilize skyrmions at room temperature. Investigating the properties of these films can help to gain a deeper understanding of the mechanisms responsible for the stabilization of non-collinear objects. In this study extended Co films are grown epitaxially on two different substrates, namely Ir(111) and Pt(111), and in the first case two different additional top layers, Pt and Rh, are deposited. The magnetic properties of these films are investigated using spin-polarized scanning tunnelling microscopy. Co/Ir(111), Pt/Co/Ir(111) and Co/Pt(111) films all display ferromagnetic out-of-plane domains, separated by nanometer-sized domain walls. The walls possess unique rotational sense, as demonstrated by using tips with different magnetization directions, as well as by in-plane magnetic fields. The results are compared with density functional theory calculations, which help to understand the role of the different magnetic interactions in the stabilization of domain walls. Additionally, room temperature magnetic domains are visible on a Co double layer on Ir(111).
Rh/Co/Ir(111) islands present not only an increased number of domain walls, separating out-of-plane domains, but also isolated skyrmions coexisting with them in zero magnetic field. The non-collinear magnetic structures can be easily detected thanks to a large non-collinear magnetoresistance, which modifies the film's local density of states at different energies. Skyrmions with diameters around 3 nm are observed in the virgin magnetic state, and they can also be nucleated from a ferromagnetic background using the STM tip. This system is thus of great interest to study all-electrical skyrmion creation and detection processes at zero magnetic field.
This thesis demonstrates how Co-based epitaxial films can host different types of non-collinear magnetic structures, whose properties could be exploited in view of the development of technological applications.
Kurzfassung auf Deutsch: Magnetische Skyrmionen sind lokalisierte nicht-kollineare Spin-Konfigurationen mit nicht-trivialer Topologie, die ihnen Stabilität gegen externe Störungen verleihen. Aus diesem Grund könnten diese Objekte die grundlegenden Informationsträger für die nächste Generation von Datenspeichergeräten sein. Unter den verschiedenen Materialien, bei denen das Auftreten von Skyrmionen beobachtet wurde, waren viele Co-basierte Systeme in der Lage, Skyrmionen bei Raumtemperatur zu stabilisieren. Die Untersuchung der Eigenschaften dieser Schichten kann helfen, ein tieferes Verständnis jener Mechanismen zu erlangen, die für die Stabilisierung von nicht-kollinearen Objekten verantwortlich sind. In dieser Studie werden erweiterte Co-Schichten epitaktisch auf zwei verschiedenen Substraten gewachsen, nämlich Ir(111) und Pt(111), und im ersten Fall werden zwei verschiedene zusätzliche Deckschichten, Pt und Rh, verdampft. Die magnetischen Eigenschaften dieser Schichten werden mittels spin-polarisierter Rastertunnelmikroskopie untersucht. Co/Ir(111), Pt/Co/Ir(111) und Co/Pt(111)-Schichten zeigen alle senkrechte ferromagnetische Domänen, die durch nanometergroße Domänenwände abgegrenzt sind. Die Wände besitzen einen festen Drehsinn, wie durch Spitzen mit unterschiedlichen Magnetisierungsrichtungen sowie durch in-plane Magnetfelder gezeigt wird. Die Ergebnisse werden mit Dichtefunktionaltheorie-Berechnungen verglichen, die helfen, die Rolle der verschiedenen magnetischen Wechselwirkungen bei der Stabilisierung von Domänenwänden zu verstehen. Zusätzlich sind magnetische Domänen bei Raumtemperatur auf einer Co-Doppellage auf Ir(111) sichtbar.
Rh/Co/Ir(111)-Inseln zeigen nicht nur eine erhöhte Anzahl von Domänenwänden, die senkrechte Domänen abgrenzen, sondern auch isolierte Skyrmionen, die mit ihnen im Null-Magnetfeld koexistieren. Die nicht-kollinearen magnetischen Strukturen sind dank eines großen nicht-kollinearen Magnetowiderstandes leicht zu erkennen, der die lokale Zustandsdichte der Schicht bei verschiedenen Energien verändert. Skyrmionen mit Durchmessern um 3 nm werden im nativen magnetischen Zustand beobachtet und können mit der STM-Spitze auch in einem ferromagnetischen Hintergrund erzeugt werden. Dieses System ist daher von großem Interesse für die Untersuchung von elektrischen Prozessen zur Erzeugung und Erkennung von Skyrmionen im Null-Magnetfeld.
Diese Arbeit zeigt, wie Co-basierte epitaktische Schichten verschiedene Arten von nicht-kollinearen magnetischen Strukturen beherbergen können, deren Eigenschaften im Hinblick auf die Entwicklung technologischer Anwendungen genutzt werden könnten.

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