Mikro-Hall-Magnetometrie an ferromagnetischen Nanoscheiben

URN zum Zitieren dieses Dokuments:: urn:nbn:de:bvb:355-opus-4583
DOI zum Zitieren dieses Dokuments:: 10.5283/epub.10285

Rahm, Michael

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Veröffentlichungsdatum dieses Volltextes: 14 Feb 2005 06:57

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In dieser Arbeit wurden ferromagnetische Kreisscheiben aus Permalloy mit Hilfe der Mikro-Hall-Magnetometrie und mit mikromagnetischen Simulationen untersucht. Aus GaAs/AlGaAs-Heterostrukturen gefertigte Mikro-Hall-Sonden gestatten die Messung von Streufeld-Hysteresekurven individueller Partikel mit Ausdehnungen weit unter einem Mikrometer.

Die Entstehung einer magnetischen Wirbelstruktur (Vortex) in Permalloy-Kreisscheiben (Dicke t zwischen 20 und 60 nm und Durchmesser D von 300 bis 800 nm) wird durch die Bildung von Buckling-Zuständen eingeleitet. Je nach Magnetisierungsstruktur unterscheidet man zwischen c- und s-Zuständen sowie Buckling-Mustern höherer Ordnung. In größeren Kreisscheiben (t > 40 nm und D > 500 nm) kann vor der Vortex-Entstehung eine metastabile Doppelvortex-Konfiguration auftreten. Da sich die diversen Buckling-Zustände energetisch nur unwesentlich voneinander unterscheiden, wird die Magnetisierung im Feldbereich der Vortex-Nukleation durch Defekte und die magnetische Vorgeschichte maßgeblich beeinflusst.

Während die Vortex-Nukleation also einen gleichermaßen komplexen wie schwer kontrollierbaren Vorgang darstellt, bieten künstliche Punktdefekte in den Nanoscheiben die Möglichkeit, auf das magnetische Verhalten im Vortex-Zustand gezielt Einfluss zu nehmen. Das Zentrum der Vortex-Struktur kann mit Hilfe eines Punktdefekts (magnetischer Antidot) eingefangen und festgehalten werden, was im entsprechenden Feldbereich zu verringerter magnetischer Suszeptibilität führt. In der zugehörigen Hysteresekurve hat dies das Auftreten eines Plateaus zur Folge.

Permalloy-Scheiben (t = 30 nm und D = 500 nm) mit zwei Antidots zeigen bistabiles magnetisches Verhalten: Der Übergang zwischen zwei reversibel durchlaufenen Plateaus erfolgt durch einen irreversiblen Sprung, sobald eine charakteristische Feldstärke (Schaltfeldstärke) überschritten wird. Während die beiden Plateaus den Zuständen des am rechten oder linken Antidot gepinnten Vortex zugeordnet werden, entspricht der irreversible Sprung dem vom externen Magnetfeld erzwungenen Wechsel des Vortex-Kerns zwischen den Antidots. In Einklang mit dieser Erklärung weisen größere Permalloy-Scheiben (t = 30 nm und D = 800 nm) mit drei bzw. vier Antidots entsprechend viele Plateaus auf.

Das Auftreten mehrerer stabiler remanenter Zustände, kurze Schaltzeiten unter 1 ns und die Beeinflussbarkeit der Schaltfeldstärke durch geometrische Faktoren und Biasfelder lässt Nanoscheiben mit Antidots für Speicheranwendungen als prädestiniert erscheinen. Die Integration solcher Strukturen in MRAM-Speicher und kombinierte Speicher-Logik-Elemente wird ausführlich diskutiert.

Übersetzung der Zusammenfassung (Englisch)

Disk-shaped ferromagnetic particles of Permalloy are investigated using micro-Hall magnetometry and micromagnetic simulations. Micro-Hall sensors fabricated from GaAs/AlGaAs heterostructure material can be employed to measure stray-field hysteresis loops of individual submicron-sized particles.

Nucleation of magnetic vortex structures in Permalloy-nanodisks (thickness t between 20 and 60 nm and diameter D in the range of 300 to 800 nm) is initiated by buckling states. Depending on their particular magnetization configurations, the buckling states can be divided into c- and s-states or buckling patterns of higher order. In larger disks (t > 40 nm und D > 500 nm) an intermediately stable double vortex configuration can be established, before the single vortex structure is built. As the various buckling states have almost the same energy, the process of vortex nucleation is strongly affected by defects and magnetic history.

On the one hand, vortex nucleation has shown to be a complex process, which is hard to control. On the other hand, however, as soon as the vortex state has entered the disk, magnetic behaviour can be controlled by using artificial point defects. The centre of the vortex structure can be pinned to a point defect (magnetic antidot), leading to reduced magnetic susceptibility. Therefore, corresponding hysteresis loops exhibit a plateau of distinctly diminished slope.

Measurements on Permalloy-disks (t = 30 nm und D = 500 nm) containing two antidots reveal bistable magnetic behaviour: Minor hysteresis loops consist of two plateaus, which show reversible magnetic behaviour. However, an irreversible jump from one plateau to the other one occurs as soon as a characteristic strength of the applied field (switching field) is exceeded. While the plateaus are ascribed to the pinned vortex states (the vortex core can be captured either by the right or the left antidot), the irreversible jump results from the transition of the vortex core from one pinning site to the other one. This also explains why three and four plateaus are observed in larger Permalloy-disks (t = 30 nm und D = 800 nm) containing three and four antidots, respectively.

Due to the existence of several stable remanent states and short switching times below 1 ns, nanodisks containing antidots appear to be predestined for memory applications. This is supported by the fact that the switching field can be varied by sample geometry or by applying additional bias fields. The integration of nanodisks with antidots in MRAM elements and in devices featuring both memory and logic applications are discussed in detail.

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