Magnetkraftmikroskopie an polykristallinen und epitaktischen Nanomagneten

URN zum Zitieren dieses Dokuments:: urn:nbn:de:bvb:355-opus-8428
DOI zum Zitieren dieses Dokuments:: 10.5283/epub.10573

Pulwey, Ralph

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Veröffentlichungsdatum dieses Volltextes: 27 Jul 2007 12:01

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Zusammenfassung (Deutsch)

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Die Magnetkraftmikroskopie (MFM) wurde in der vorliegenden Arbeit zur Untersuchung ausgewählter ferromagnetischer Nanostrukturen eingesetzt. Hergestellt wurden diese Nanomagnete aus hochwertigen polykristallinen Permalloy- und Cobalt-Schichten sowie aus epitaktisch auf GaAs gewachsenen Eisen-Filmen. Den experimentellen Ergebnissen wurden mikromagnetische Simulationen gegenübergestellt, die einen Einblick in verschiedene Details des magnetischen Verhaltens gewährten.

In 50 nm dicken Permalloy-Kreisscheiben konnte stets ein remanenter in-plane-Vortex nachgewiesen werden. Um im Zentrum dieser Konfiguration eine divergierende Austauschenergie zu vermeiden, dreht dort die Magnetisierung aus der Ebene heraus. Diese senkrechte Komponente konnte hier erstmals experimentell nachgewiesen werden.

Untersuchungen zur in-plane-Ummagnetisierung zeigen, wie der Vortex abhängig vom Umlaufsinn senkrecht zum Feld ausweicht und bei ausreichender Feldstärke aus dem Element gedrängt wird. Sowohl die Verschiebung des Vortexkerns als auch das Annihilationsfeld unterschiedlich großer Scheiben wurden systematisch ausgewertet und konnten im Detail erklärt werden. Die Nukleation des Vortex bei einer Absenkung des externen Feldes kann über unterschiedliche Modi erfolgen. Hier wurde erstmals die nur in dickeren Scheiben vorkommende Ummagnetisierung über eine Doppel-Vortex-Konfiguration beobachtet, die in Cobalt-Scheiben auch in Remanenz auftrat.

Der senkrechte Vortexkern konnte mit einem out-of-plane-Feld gezielt, und ohne den Umlaufsinn der in-plane-Magnetisierung zu beeinflussen, umgeschaltet werden. Eine Simulation offenbart, dass diese Richtungsumkehr über die Bildung eines Blochpunkts abläuft.

In den kleinsten, nur 4 nm dicken Scheiben mit einem Durchmesser von 200 nm konnte im MFM die kohärente Rotation eines Single-Domain-Zustands beobachtet werden.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden erstmals umfangreiche Untersuchungen zu epitaktischen Eisen-Strukturen auf GaAs durchgeführt, wobei zwei unterschiedliche Kristallorientierungen verwendet wurden:

- Dabei weisen die untersuchten 34 nm dicken Fe(110)-Elemente auf GaAs(110) eine intrinsische uniaxiale Anisotropie auf. Die Beobachtung der Konfigurationen von Scheiben und schmalen Rechtecken nach Entmagnetisierung oder Sättigung entlang der leichten oder schweren Achse offenbarte eine Vielzahl von Magnetisierungskonfigurationen. Dabei zeigen die von der Streufeldenergie dominierten kleine Elemente nur geringe Abweichungen von den Konfigurationen, die in weichmagnetischen Elementen zu erwarten wären. In großen Scheiben dagegen kann durch die intrinsische Anisotropie sogar ein nahezu eindomäniger Zustand stabil sein.

- Bei den Fe(001)-Schichten auf GaAs(001) standen unterschiedliche Dicken zwischen 2,5 nm und 40 nm zur Verfügung. Bei den dickeren Schichten liegt eine vierzählige Anisotropie vor, die nach einem Reorientierungsübergang bei 20 ML in eine uniaxiale Anisotropie übergeht. In den dickeren Scheiben zeigten sich vortexähnliche Vierdomänen-Zustände, die ab einer Dicke von 7,5 nm von S- und C-Konfigurationen abgelöst wurden. Die 2,5 nm dicken Elemente mit der uniaxialen Anisotropie zeigten einen Single-Domain-Zustand. Diese Eindomänigkeit der dünnsten Elemente ist extrem stabil und unabhängig von der Form und der magnetischen Vorgeschichte.

Übersetzung der Zusammenfassung (Englisch)

In this study, magnetic force microscopy was used for investigating ferromagnet nano-structures. These nano-magnets were prepared from high-quality polycrystalline Permalloy and cobalt films as well as from bcc-iron films epitaxially grown on GaAs. The results measured were compared to micromagnetic simulations, which offered insights into several details of the magnetic behavior.

Permalloy disks with a thickness of 50 nm always showed an in-plane vortex configuration at remanence. In order to avoid divergent exchange energy at the center of this configuration the magnetization turns out of the plane. For the first time, the existence of this perpendicular component could be verified in experiments.

Investigation of the in-plane magnetization reversal showed the vortex moving perpendicularly to the external field. The direction of this motion depends on the direction of the in-plane rotation. This movement and the annihilation of the vortex were studied systematically with disks of different sizes. The nucleation of the vortex after a reduction of the external field occurred in various ways. For the first time, a magnetization reversal via a double vortex configuration, which occurs in thick disks only, could be observed.

The perpendicular vortex core could be switched directly and without affecting the in-plane magnetization. A simulation revealed that this reversal results from creating a Bloch point.

It was made possible under MFM to observe the coherent rotation of a single-domain state in the smallest disks with a thickness of only 4 nm and a diameter of 200 nm.

In this study, for the fist time comprehensive investigation of epitaxial iron structures on GaAs was performed:

- Elements made from a Fe(110) film on GaAs(110) with a thickness of 34 nm have a uniaxial intrinsic anisotropy. The observation of the magnetization in disks and small rectangles after demagnetization or saturation along the easy or hard axis revealed a variety of configurations. Thereby the small elements which were dominated by their stray fields presented only little variations of the configurations to be expected for magnetically soft elements. In contrast, intrinsic anisotropy was able to create a stable, almost single-domain status in large disks.

- For the Fe(001) films on GaAs(001), thicknesses between 2.5 nm and 40 nm were available. The thicker films showed fourfold anisotropy, which changes into uniaxial anisotropy for films thinner than 20 monolayers. In the thicker disks a vortex-like four-domain configuration appeared, which changes into S- and C-states in disks thicker than 7.5 nm and by a single-domain state in those elements of 2.5 nm thickness and with uniaxial anisotropy. This single-uniformity proved extremely stable and did not depend on shape and magnetic history.

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