Kurzfassung
Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurde die magnetische Feinstruktur von
Oberflächen, ultradünnen Filmen sowie
nanostrukturierten Dünnschichtelementen untersucht. Um einen
experimentellen Zugang zu ermöglichen beginnt diese Arbeit mit
der Konstruktion und dem Aufbau eines Rasterelektronenmikroskops mit
Polarisationsanalyse (SEMPA oder spin-SEM). Detailliert werden die
Polarisationsmessung und -analyse, die Vermeidung experimenteller
Störfaktoren, Faktoren zur Optimierung des Instruments, die
Langzeitstabilität des Detektors und die
Probenpräparation sowie ihre Auswirkung auf das
Magnetisierungsmuster diskutiert. Dabei konnte unter anderem gezeigt
werden, wie die zeitliche Änderung der Bildqualität
durch Wasserstoff induzierte Oberflächenrekonstruktionen des
W(001) hervorgerufen wird. Anhand der Untersuchungen des
Domänenmusters des Ni(111) konnten die Stärken der
SEMPA Technik eindrucksvoll demonstriert und die Ursache des
komplizierten Oberflächenmusters geklärt werden. Es
handelt sich dabei um das einfach verzweigte
Abschlussdomänenmuster der Magnetisierungsverteilung des
Volumens. Dieses konnte auch im Rahmen eines Modells anhand sogenannter
quasi-Domänen schlüssig diskutiert werden. Neben den
qualitativen Stärken der SEMPA Technik konnte bei der
Untersuchung des Ni(111) auch sein hohes Potential zur quantitativen
Analyse gezeigt werden. So wurde unter anderem die Wandbreite der
V-Linien im Oberflächendomänenmuster mit (174 ± 15)
nm sehr genau vermessen. Zum anderen konnte anhand eines
Polarisations-Winkelhistogramms die Sechszähligkeit des
Domänenmusters eindeutig nachgewiesen werden. Als Ursache
hierfür wurde die magnetokristalline
Anisotropie-Energie identifiziert. Weiter wurde im Rahmen der
Untersuchung
des Graphen-bedeckten Ni(111) gezeigt, dass die Graphenschicht die
Oberfläche des Ni(111) effektiv gegen Oxidation passiviert.
Ein Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der Untersuchung des Einflusses
der Geometrie
auf die mikromagnetische Feinstruktur von Nanodrähten, die zur
Lokalisierung
einer Domänenwand mit einem definierten Knick
präpariert wurden. Im Wesentlichen
wurden dabei drei prinzipiell unterschiedliche Wandtypen beobachtet:
die
transversale Wand, die asymmetrische Wand und die Wirbelwand. Weiter
hat sich
gezeigt, dass die komplizierte Struktur der Drahtwände
über ein recht einfaches Modell topologischer Defekte
unterschiedlicher Windungszahlen recht gut beschrieben werden kann.
Zudem konnte dargelegt werden, dass neben der Drahtbreite und -dicke
auch der Knickwinkel einen wesentlichen Einfluss auf den Wandtyp hat.
So wird bei stumpfen Winkeln eine Wirbelwand, bei spitzen eine
transversale Wand favorisiert. Die asymmetrische Wand wird nur in der
Nähe des Übergangsbereichs beobachtet. Als
wesentliches Ergebnis dieser Untersuchung konnte ein
phänomenologisches Modell zur Beschreibung der
Stabilität der unterschiedlichen Wandtypen als Funktion des
Knickwinkels entwickelt werden.
In this thesis, a study of the magnetic fine structure of surfaces,
ultrathin films, and nanostructures is reported. To obtain experimental
access to this question, this work begins with the design and
construction of a scanning electron microscope with polarization
analysis (SEMPA or spin-SEM). In detail, the polarization measurement
and analysis, the avoidance of disturbing sources, factors of
optimization, the longtime stability of the detector, and the sample
preparation, as well as the influence of the latter on the observed
domain pattern are discussed. It is shown, e.g., that a time-dependent
decrease of the image quality is caused by hydrogen-induced surface
reconstructions of W(001). Based on the investigations of the domain
pattern of the Ni(111) surface the strengths of SEMPA could be
demonstrated. The nature of the complex surface pattern was clarified
as a singly branched closure domain pattern. It could be conclusively
discussed in the context of a model based on so-called quasi-domains.
Moreover the high potential for quantitative analysis of the SEMPA
technique was shown in this study. In this context, the precise
measurement of the wall width of the V-lines (174±15 nm) should be
mentioned. In addition, based on the polarization angle histogram, a
six-fold symmetry in the domain pattern could clearly be observed,
which is caused by magneto-crystalline anisotropy. The investigation of
Graphene-covered Ni(111) revealed that the Ni(111) surface is
effectively passivated against oxidation by the Graphene layer during
transfer at ambient conditions. A second focus of this work is the
study of the influence of geometry on the micromagnetic fine structure
of bent nanowires structured from soft-magnetic material. Three
different wall types were found: the transverse wall, the asymmetric
wall and the vortex wall. It has been shown that the complex structure
of walls in nanowires can be fairly well described based on a simple
model of topological defects of different winding numbers. In addition,
it could be demonstrated that the width, thickness, and bending angle
of the wire have a significant influence on the domain-wall type. In
case of obtuse angles the vortex wall is favored whereas in case of
acute angles the transverse wall. An asymmetric wall is observed in the
vicinity of the transition region. A key result of this work is a new
phenomenological model, which describes the stability of the different
wall types as a function of the bending angle.