Mikro-Hall-Magnetometrie an ferromagnetischen Nanostrukturen im Vortex- und Single-Domain-Regime

URN to cite this document:: urn:nbn:de:bvb:355-opus-7679
DOI to cite this document:: 10.5283/epub.10560

Stahl, Joachim

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Date of publication of this fulltext: 08 Nov 2007 11:55

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Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung des Ummagnetisierungsverhaltens ferromagnetischer Permalloy-Kreisscheiben. Im Gegensatz zu integralen Methoden, die über eine Vielzahl nominell identischer Strukturen mitteln, wird das individuelle Schaltverhalten einzelner Strukturen analysiert. Die Untersuchungen erfolgten dabei mit Hilfe der Mikro-Hall-Magnetometrie und der Lorentz-Transmissions-Elektronen-Mikroskopie und werden mit mikromagnetischen Simulationen verglichen. Für die Hall-Magnetometrie werden mikrostrukturierte Hall-Sonden eingesetzt, die auf GaAs/AlGaAs- oder InGaSb-Heterostrukturen basieren. Die Hall-Sensoren erlauben das Streufeld eines Partikels mit Ausdehnungen weit unter einem Mikrometer während der Ummagnetisierung zu detektieren und ermöglichen so Rückschlüsse auf die jeweilige Magnetisierungskonfiguration. Permalloy-Kreisscheiben bilden � abhängig vom Verhältnis von Durchmesser zu Dicke � in Remanenz entweder eine kreisrund geschlossene Wirbelstruktur der Magnetisierung (Vortex) aus, oder aber die Scheibe besitzt eine einheitlich ausgerichtete Magnetisierung (Single-Domain-Zustand).
Die Untersuchung von Permalloy-Kreisscheiben (Durchmesser 500 nm, Dicke 30 nm) mit zwei künstlich eingebrachten Defekten steht dabei zunächst im Mittelpunkt. Diese Geometrie liegt im Vortex-Regime, und hier lässt sich der Vortex gezielt an einem der beiden Defekte (magnetische Antidots) pinnen, was in zwei remanenten Zuständen resultiert. Dieses Verhalten lässt sich über einen weiten Bereich der Defektabstände beobachten. Das bistabile magnetische Verhalten ist prinzipiell zur Speicherung eines Bits geeignet. Die Untersuchungen wurden an einer Vielzahl nominell identischer Strukturen durchgeführt und zeigen eine deutliche Streuung der Schaltfelder, deren Ursache gezielt untersucht wurde.
Im Folgenden steht der Übergang zwischen Vortex- und Single-Domain-Regime bei Permalloy-Kreisscheiben im Blickpunkt der Arbeit. Permalloy-Kreisscheiben mit einer Dicke von 10 nm zeigen in mikromagnetischen Simulationen bis hin zu einem maximalen Durchmesser von etwa 100 nm eindomäniges Verhalten. Mittels Mikro-Hall-Magnetometrie wurden hier Scheiben mit einem Durchmesser in diesem Bereich untersucht. Hier konnte erstmals mittels Mikro-Hall-Magnetometrie eine rechteckige Hysteresekurve individueller Single-Domain-Scheiben beobachtet werden. Dabei zeigte sich, dass nominell identische Scheiben deutlich unterschiedliche Schaltfelder aufweisen können, während das Schaltfeld einer einzelnen Struktur sehr gut reproduzierbar ist.
Verdünnt magnetische Halbleitern stellen eine vielversprechende Materialklasse für Spininjektion dar und stehen daher im Brennpunkt der aktuellen Forschung. Für die Untersuchung mikrostrukturierter Elemente wurde daher im Rahmen dieser Arbeit ein Prozess entwickelt, der es ermöglicht die Mikro-Hall-Magnetometrie auch für diese temperaturempfindlichen Materialien zu erschließen. Damit ist das Tor zur Untersuchung dieser Materialien mittels Hall-Magnetometrie weit aufgestoßen.

Translation of the abstract (English)

The magnetization reversal of individual, ferromagnetic Permalloy disk-shaped particles is investigated using micro-Hall magnetometry, Lorentz transmission electron microscopy and micromagnetic simulations. For the Hall magnetometry micro-structured Hall sensors are used, which are based on GaAlAs/AlGaAs or InGaSb heterostructures. The individual particle with dimensions far below one micrometer is placed on top of the sensor. The ferromagnetic particle causes a Hall voltage in the sensor which is directly proportional to the stray field. This method allows � in contrast to integral methods which are detecting a large number of nominally identical structures � the characterization of a single particle. Disk-shaped Permalloy particles form two different ground states depending on their geometric sizes: They show either a circular closed magnetization configuration (Vortex), or a uniformly aligned magnetization (single domain configuration).
At first Permalloy disks (diameter 500 nm, thickness 30 nm) with two artificial point defects are in the centre of interest. In this geometry the Vortex can be selectively pinned alternatively at one of the two defects (magnetic antidots). This results in two remanent states. The bistable magnetic behaviour is in principle suitable for storing a bit. The investigations were carried out for a multiplicity of nominally identical disks and showed a significant broadening of the switching field. The reasons for this are analyzed.
The next part focuses on the transition from the Vortex regime to the single domain regime of disk-shaped Permalloy structures. Micromagnetic simulations of these disks with a thickness of 10 nm show single domain behaviour up to a diameter of approximately 100 nm. By means of micro-Hall magnetometry disks with a diameter within this range were examined. A rectangular magnetization of an individual single Domain structure could be observed for the first time employing micro-Hall magnetometry. It appears that nominally identical disks exhibit clearly different switching fields, whereas the switching field of an individual structure is very well reproducible.
Diluted magnetic semiconductors represent a promising material class for spin injection and stand therefore in the focus of the current research. In this work a process was developed in order to expand the method of micro-Hall magnetometry to the investigation of micro-structured elements fabricated from these temperature sensitive materials.

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