"Magnetogalvanic effects in ferromagnets of reduced dimensions"

Kurzfassung

Diese Dissertation befasst sich mit drei Themen aus dem Forschungsgebiet magnetogalvanischer Effekte in Ferromagneten mit reduzierten Dimensionen.

Der erste Themenabschnitt behandelt die magnetische Mikrostruktur von Domänenwänden, die sich am Knick von weichmagnetischen V-förmigen Nanodrähten befinden. Drei verschiedene Typen von Domänenwänden wurden mittels Rasterelektronenmikroskopie mit Polarisationsanalyse (SEMPA) beobachtet sowie aus mikromagnetischen Simulationen erlangt. Dies sind die von der geraden Drahtgeometrie bekannte symmetrische und asymmetrische Transverswand sowie die Vortexwand. Die Implementierung des symmetriebrechenden Knicks ändert die räumliche Potentiallandschaft, wobei die Details des Pinningverhaltens der Domänenwände am Knick aus der Topologie ihrer Mikrostrukturen folgen. Die Abhängigkeit des vorherrschenden Domänenwandtyps vom Knickwinkel zeigt, dass dieser neben den Drahtabmessungen ein weiterer Parameter ist, um den Domänenwandtyp gezielt einzustellen. Im Falle von Vortexwänden lässt sich der Drehsinn der Magnetisierung um den Vortexkern, welcher inhärent mit der Position des Kerns bezüglich der Spiegelachse des Drahtes verbunden ist, mittels externer magnetischer Felder steuern. Die Möglichkeit, die Eigenschaften der Vortexwand nach Belieben einzustellen, eröffnet zukünftigen Konzepten vortex-basierter Speichermedien eine hohe Flexibilität.

Im zweiten Themenabschnitt dieser Arbeit wird eine Methode vorgestellt, welche die Untersuchung einzelner Nanomagneten mit lateralen Abmessungen < 100 nm mittels Magnetotransport ermöglicht. Das Verfahren besteht aus der Präparation von Mikrostromkreisen einschließlich der Erzeugung des Nanomagneten aus einem lateral homogenen metallischen Schichtsystem mittels fokussierter Ionenstrahl (FIB)-Technik. Dieses erlaubt zudem die anschließende in situ Magnetowiderstands (MR)-Untersuchung mittels eines Mikromanipulators im Ultrahochvakuum. Die "top-down" Herstellung des Nanomagneten basiert auf der Überführung des ihn umgebenden Materials in die paramagnetische Phase unter Ausnutzung der Ionenbeschuss-induzierten Durchmischung der metallischen Schichten. Das so hergestellte paramagnetische Material bildet gleichzeitig die elektrischen Zuleitungen, deren gute Leitfähigkeit somit unabdingbar ist, um eine hohe Empfindlichkeit auf die magnetogalvanischen Effekte des Nanomagneten zu gewährleisten. Auf der Suche nach geeigneten Schichtsystemen wurde ein in situ MR-Verfahren entwickelt, das die Charakterisierung des Einflusses des Ionen-Beschusses auf die elektrischen und magnetischen Eigenschaften ermöglicht. Diese Methode wurde auf unterschiedliche Schichtsysteme angewendet, die jeweils einen 20 nm dicken weichmagnetischen Permalloy-Film enthalten. Sodann wurde das am besten geeignete Schichtsystem verwendet, um das Potential und die Empfindlichkeit der MR-Untersuchungsmethode von einzelnen Nanomagneten anhand von rechteckigen Prismen (Rechtecken) mit lateralen Abmessungen von 600 x 300 nm², 800 x 400 nm², und 1000 x 500 nm² zu demonstrieren. Das Ummagnetisierungsverhalten wurde im Falle eines angelegten Magnetfeldes senkrecht (harte Richtung) bzw. parallel (leichte Richtung) zur langen Achse der Rechtecke in einzelnen Felddurchläufen unter Ausnutzung des anisotropen MR (AMR) analysiert. Es konnten reversible und irreversible Ummagnetisierungsprozesse quantifiziert und eindeutig den beteiligten mikromagnetischen Zuständen zugeordnet werden. Als Hauptergebnis ergab sich dabei, dass die Energiedichte des mikromagnetischen Landau-Zustands aus der Ummagnetisierung in harter Richtung bestimmt werden kann, was in Übereinstimmung mit domänentheoretischen Überlegungen und durchgeführten mikromagnetischen Simulationen steht.

Das dritte Thema dieser Arbeit befasst sich mit umfassenden Untersuchungen des MR von Co/Pt-Schichtsystemen, die im Temperaturbereich von 4,2 K < T < 295 K durchgeführt wurden, wobei der Strom entlang der Schichtebenen eingeprägt ist. Diese Untersuchungen werden durch eine Bestimmung der strukturellen und magnetischen Eigenschaften der mittels Sputtertechniken hergestellten Proben ergänzt. Dadurch wird eine fundierte Interpretation der MR-Ergebnisse sichergestellt. Das Schlüsselergebnis war hierbei die Entdeckung, dass der Längswiderstand ρ von der Orientierung der Magnetisierung innerhalb der Ebene senkrecht zur Stromrichtung abhängt. Das Wesen dieses MR-Effekts ist es, dass ρ ein symmetrieadaptiertes cos² Verhalten vom Winkel zeigt, den die Magnetisierung M mit der Oberflächennormalen einschließt und am größten für eine Ausrichtung von M entlang der Normalen ist. Bei der Variation der Co-Schichtdicke (0,8 nm < t < 50 nm) von Pt/Co/Pt-Sandwichstrukturen zeigt der entdeckte Effekt eine 1/t-Abhängigkeit, welche eindeutig belegt, dass dieser Effekt an den Co/Pt-Grenzflächen entsteht. Daher wurde der Effekt als anisotroper Grenzflächenmagnetowiderstand (AIMR) bezeichnet. Die Dickenabhängigkeit des AIMR kann phänomenologisch mit dem Fuchs-Sondheimer-Modell unter der Annahme beschrieben werden, dass sich die Streuwahrscheinlichkeit der Elektronen an den Grenzflächen um 3% erhöht, wenn die Magnetisierung von einer beliebigen Richtung in der Ebene parallel zur Oberflächennormalen reorientiert wird. In dem Dickenbereich, in dem die Sandwichstrukturen und Co/Pt-Multilagen eine senkrechte magnetische Anisotropie aufweisen, ist der AIMR von gleicher Größenordnung wie der AMR. Dieser Befund ist im Hinblick auf die jüngsten Erkenntnisse über den Domänenwandwiderstand im Forschungsgebiet der Spintronik wichtig, da der AIMR inhärent als extrinsischer Beitrag im gemessenen Domänenwandwiderstand enthalten ist. Die Existenz des AIMR wurde zudem theoretisch in einer vollständig-relativistischen, spin-polarisierten ab initio-Studie unter Verwendung von schichtaufgelösten Widerständen nachgewiesen. Diese bestätigt, dass der Effekt hauptsächlich an den Co/Pt-Grenzflächen entsteht. Neben der Entdeckung des AIMR zeigen die experimentellen Ergebnisse für die Sandwichstrukturen, dass die weiteren MR-Effekte, die im Co-Material existieren (AMR, Spinwellen-MR sowie der anomale und normale Hall Effekt), deutlich von den reduzierten Abmessungen der Co-Schichtdicke beeinflusst sind. Beim anomalen Hall Effekt konnte zudem beobachtet werden, dass die Streuprozesse der Elektronen an den Co/Pt-Grenzflächen einen signifikanten Beitrag zu diesem Effekt leisten.

Titel

Kurzfassung

Summary

This thesis deals with three topics in the field of research of magnetogalvanic effects in ferromagnets of reduced dimensions.

The first subject concerns the magnetic microstructure of domain walls located at the bend of soft magnetic V-shaped nanowires. Three different types of domain walls were observed by means of scanning electron microscopy with polarization analysis (SEMPA) and obtained from micromagnetic simulations, namely, the symmetric and asymmetric transverse domain wall as well as the vortex domain wall, that are well known from a straight wire geometry. The implementation of a symmetry breaking bend affects the spatial potential landscape while the details of the pinning behavior of the domain walls at the bend derive from the topology of their microstructures. The dependence of the preponderant domain wall type on bending angle reveals that, besides the wire's dimensions, the bending angle is a further parameter to adjust the wall type on purpose. Concerning vortex domain walls it is shown that the sense of magnetization rotation around the vortex core, which was found to be inherently linked to the position of the core with respect to the wire's bisection, is tunable via magnetic seeding fields that are slightly tilted out of the symmetry axis of the wire. The possibility to intentionally control the vortex wall properties gives a high flexibility for future concepts of vortex-based memory devices.

The third subject of this thesis deals with comprehensive investigations of the MR of Co/Pt layered structures performed for current in-plane (CIP) geometry in the temperature range of 4.2 K < T < 295 K. The MR investigations are accompanied by the determination of the magnetic and structural properties of the samples prepared by sputtering techniques in order to enable and ensure a reasonable interpretation of the MR results. The key result was the discovery that the longitudinal resistivity ρ depends on the magnetization orientation within the plane perpendicular to the current direction. The fingerprint of the discovered MR effect is that ρ shows a symmetry adapted cos² dependence on the angle that the magnetization M includes with the surface normal and is largest for M oriented along the latter. By varying the Co layer thickness (0.8 nm < t < 50 nm) of Pt/Co/Pt sandwiches a 1/t dependence of the effect was found providing strong evidence that it originates at the Co/Pt interfaces. Thus, the effect was named anisotropic interface magnetoresistance (AIMR). The thickness dependence of the AIMR can be phenomenologically described by the Fuchs-Sondheimer model by assuming that the scattering probability of the electrons at the Co/Pt interfaces is enhanced by 3% when changing the magnetization from any desired in-plane direction to the out-of-plane direction. In the thickness regime where sandwiches and Co/Pt multilayers exhibit a perpendicular magnetic anisotropy the AIMR is in the same order of magnitude as the AMR. This finding is important in the light of recent efforts to study domain wall resistance in the framework of spintronics as the AIMR is inherently included in the detected domain wall resistance as an extrinsic contribution. The existence of the AIMR is also demonstrated theoretically in terms of a fully relativistic spin-polarized ab initio-type approach by using layer-resolved resistivities in particular confirming that the effect mainly originates in the vicinity of the Co/Pt interfaces. In addition to the discovery of the AIMR the experimental results for the sandwiches further show that the various MR effects existing in the Co material, i.e., the AMR, spin-disorder MR, as well as the anomalous and normal Hall effect, are significantly affected by the finite size of the Co layer thickness. In the case of the anomalous Hall effect it is additionally observed that the scattering processes of the electrons at the Co/Pt interfaces provide a significant contribution to this particular effect.