| License: Creative Commons Attribution 4.0 (6MB) |
- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-363633
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.36363
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Open Access Type: | Primary Publication |
| Date: | 14 December 2017 |
| Referee: | Prof. Dr. Christian H. Back and Prof. Dr. Jascha Repp |
| Date of exam: | 24 November 2017 |
| Institutions: | Physics > Institute of Experimental and Applied Physics > Alumni or Retired Professors > Chair Professor Back > Group Christian Back |
| Keywords: | Magnetism, domain walls, domains, thin films, 3d structures |
| Dewey Decimal Classification: | 500 Science > 530 Physics |
| Status: | Published |
| Refereed: | Yes, this version has been refereed |
| Created at the University of Regensburg: | Partially |
| Item ID: | 36363 |
Abstract (English)
In this thesis we image domains and domain walls by spin-polarised scanning electron microscopy (spin-SEM) in three different magnetic material systems. Spin-SEM is a powerful technique for that purpose because it allows the direct probing of the magnetisation in a specimen with the spatial resolution of a SEM which is around 10 nm in our system. The first chapter is devoted to the basic ...
Abstract (English)
In this thesis we image domains and domain walls by spin-polarised scanning electron microscopy (spin-SEM) in three different magnetic material systems. Spin-SEM is a powerful technique for that purpose because it allows the direct probing of the magnetisation in a specimen with the spatial resolution of a SEM which is around 10 nm in our system.
The first chapter is devoted to the basic theoretical background necessary to understand the experiments. A brief discussion about the spin-orbit interaction highlights the importance of this interaction for the field of magnetism. A section about domain walls reminds the reader about the domain wall types in perpendicularly magnetised materials. Finally the Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI) and its influence on domain walls are discussed.
Chapter 3 details the experimental set-up, in particular the spin-SEM tool used for our experimental investigations. We look at how we measure the magnetisation of a specimen, in order to correctly interpret the recorded magnetic patterns. It turns out that it is often crucial to be capable to determine all three magnetization components. To this end, we have built a spin rotator, i.e., an extension to the microscope which allows us to measure all three components of the magnetisation vector.
In the 4th chapter, differently arranged stacks of nickel and iron on top of the (100) surface of copper are investigated. The magnetic materials are evaporated in-situ onto the copper crystal which guarantees a high purity of the ferromagnetic materials. The domain walls in this system with perpendicular magnetisation are imaged and we find Néel, Bloch and intermediate domain walls. From the results we can conclude that the symmetry is broken in such a way that a chiral interaction is obtained, i.e., DMI. We estimate the strength of this interaction and compare our results with literature values.
Chapter 5 deals with perpendicularly magnetised nanowires, which exhibit distinct domain wall types depending on the geometry. Nanowires with different width are shaped out of a sputtered cobalt/nickel multilayer by an electron beam lithography process. The transition of the domain wall type in the nanowires is investigated by direct imaging of the wall structure. We discover an achiral intermediate wall type that is unpredicted by established theoretical models. With the help of micromagnetic simulations, the formation of this novel wall type is explained. We discuss why this intermediate wall should occur in all perpendicularly magnetised materials for appropriate wire dimensions and we exclude DMI as a possible cause for this novel wall type.
Finally, in chapter 6, three-dimensional magnetic cobalt structures are investigated, which are the first step towards three-dimensional, extended, magnetic spin ice networks. We show that two-photon lithography in combination with electroplating is capable of producing large arrays of three dimensional magnetic structures in the submicrometre range by imaging the domain pattern in these structures. Additionally, we show how a detailed analysis by spin-SEM can be used to improve the production process of samples.
Translation of the abstract (German)
In dieser Arbeit bilden wir mit Hilfe von Spin-polarisierter Rasterelektronenmikroskopie (spin-SEM) Domänen und Domänenwände in drei nterschiedlichen magnetischen Materialsystemen ab. Zu diesem Zweck ist Spin-SEM eine mächtige Technik, da sie das Erforschen der Magnetisierung mit einer räumlichen Auflösung von einem SEM, welche in unserem System ca. 10 nm ist, erlaubt. Das erste Kapitel widmet ...
Translation of the abstract (German)
In dieser Arbeit bilden wir mit Hilfe von Spin-polarisierter Rasterelektronenmikroskopie (spin-SEM) Domänen und Domänenwände in drei nterschiedlichen magnetischen Materialsystemen ab. Zu diesem Zweck ist Spin-SEM eine mächtige Technik, da sie das Erforschen der Magnetisierung mit einer räumlichen Auflösung von einem SEM, welche in unserem System ca. 10 nm ist, erlaubt.
Das erste Kapitel widmet sich den theoretischen Grundlagen, die wichtig sind die Experimente zu verstehen. Ein kurze Diskussion über Spin-Bahn-Wechselwirkung hebt ihre Bedeutung für das Forschungsfeld des Magnetismus hervor. Ein Abschnitt über Domänenwände soll den Leser an die Domänenwandtypen in senkrecht magnetisierten Materialien erinnern. Als letztes diskutieren wir die Dzyaloshinskii-Moriya-Wechselwirkung (DMI) und ihren Einfluss auf Domänenwände.
Kapitel 3 geht näher auf den experimentellen Aufbau ein, insbesondere auf das Spin-polarisierte Rasterelektronenmikroskop. Wir schauen uns an, wie wir die Magnetisierung einer Probe messen, um dann die aufgenommenen magnetischen Bilder richtig zu interpretieren. Es hat sich herausgestellt, dass es oft wichtig ist alle drei Komponenten des Magnetisierungsvektors zu bestimmen. Aus diesem Grund haben wir einen Spin-Rotator gebaut, das heißt eine Erweiterung des Mikroskops, welche es uns erlaubt alle drei Komponenten zu messen.
Im vierten Kapitel werden unterschiedlich angeordnete Lagen von Nickel und Eisen auf der (100) Oberfläche von Kupfer untersucht. The magnetischen Materialien werden in-situ auf einen Kupferkristall aufgedampft, wodurch eine hohe Reinheit des ferromagnetischen Materials garantiert wird. Die Domänenwände in diesem System mit einer senkrechten Magnetisierung werden abgebildet und wir finden Néel-, Bloch- und Mischwände. Durch die Ergebnisse können wir darauf schließen, dass sie Symmetrie des Systems so gebrochen ist, dass eine chirale Wechselwirkung, also DMI, entsteht. Wir schätzen die Stärke dieser Wechselwirkung ab und vergleichen sie mit den Werten aus der Literatur.
Kapitel 5 handelt über senkrecht magnetisierte Nanodrähte, welche in Abhängigkeit von der Geometrie unterschiedliche Domänenwandtypen aufweisen. Mit Hilfe von Elektronenstrahllithografie werden Nanodrähte mit unterschiedlichen Breiten aus gesputtertem Kobalt/Nickel-Mulilagen hergestellt. Der Wechsel des Domänenwandtypens in Nanodrähten wird durch direktes abbilden des Wandaufbaus untersucht. Wir entdecken einen achiralen Domänenwandtypen, welcher durch die etablierten theoretischen Modelle nicht vorhergesagt wurde. Mit der Hilfe von micromagnetischen Simulationen wird die Entstehung dieses neuen Wandtypens erklärt. Wir erörtern warum diese Mischwand für geeignete Drahtgrößen in allen senkrecht magnetisierten Materialien entstehen sollte und schließen DMI als mögliche Ursache für diesen neuen Wandtypen aus.
Zu guter Letzt, in Kapitel 6, werden dreidimensionale Kobaltstrukturen untersucht, welche den ersten Schritt in die Richtung von dreidimensionalen, ausgedehnten, magnetischen Spin-Eis-Systemen markieren. Wir zeigen, dass zwei-Photonen-Lithographie in Kombination mit Galvanotechnik in der Lage ist, große Felder von dreidimensionalen, magnetischen Strukturen im Submikrometerbereich zu produzieren, indem die magnetischen Muster in diesen Stukturen abgebildet wird. Außerdem zeigen wir, dass eine detaillierte Analyse mit spin-SEM genutzt werden kann, um den Fabkrikationsprozess zu verbessern.
Metadata last modified: 25 Nov 2020 20:46
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