Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Untersuchung von mikro- und nanostrukturierten Elektroden aus ferromagnetischen Materialien und CoPt3-Nanopartikeln, die für Anwendungen in der Magneto- sowie Spinelektronik geeignet sind. Als zentrales Herstellungsverfahren zur Präparation der Elektroden wurde die Elektronenstrahllithographie verwendet. Mit diesem Verfahren können Strukturen mit lateralen Dimensionen von weniger als 100 nm bei einer Positionierungsgenauigkeit von 10 nm strukturiert werden. Die Deposition der ferromagnetischen Schichten erfolgte durch elektronenstrahlgestützes und thermisches Aufdampfen sowie durch Magnetronsputtern. Die ferromagnetischen Schichten haben eine typische Dicke von 20 nm.
Zur magnetischen Charakterisierung der Elektroden und der CoPt3-Nanopartikel stehen verschiedene Messmethoden zur Verfügung. Mit Hilfe der Magnetkraft-Mikroskopie (MFM) und der magnetischen Transmissions-Röntgenmikroskopie (MTXM) wurden insbesondere die Domänenstrukturen der Elektroden untersucht. Die Messungen mit dem Magnetkraft-Mikroskop fanden am Institut für Angewandte Physik in Hamburg statt. Die Ergebnisse der magnetischen Transmissions-Röntgenmikroskopie wurden am Center for X-Ray Optics an der Advanced Light Source in Berkeley gewonnen. Diese letztere Messmethode ist vorzugsweise für die Untersuchung von Streufeld-Wechselwirkungen zwischen Elektroden geeignet. Beide Verfahren zur Abbildung von Magnetisierungszuständen wurden auf dieselben ferromagnetischen Nanostrukturen angewendet, so dass ein Vergleich der Mikroskopietechniken möglich war.
Die Hall-Mikromagnetometrie stellt eine wichtige nichtinvasive und an verschiedene Probengrößen anpassbare Methode zur Detektion von magnetischen Streufeldern dar. Es wurden ferromagnetische Elektroden mit einer lateralen Größe von kleiner einem Mikrometer untersucht, die für die Verwendung in spinelektronischen Bauelementen geeignet sind. Die hohe Empfindlichkeit der Hall-Sensoren wird durch die Detektion von einer Monolage CoPt3-Nanopartikeln demonstriert. Mit Hilfe der Hall-Magnetometrie konnten magnetische Eigenschaften wie das Koerzitivfeld, die dipolare Wechselwirkung und die Temperaturabhängigkeit der Magnetisierung der CoPt3-Nanopartikel bestimmt werden.
This thesis deals with lateral ferromagnetic micro- and nanostructures and CoPt3 nanocrystals that are suitable for applications in magnetoelectronics and in future spintronic devices. The main fabrication technique used for pattering the lateral nanostructures to electrodes is electron-beam lithography. This technique allows the preparation of structures with lateral sizes of less than 100 nm with a position accuracy of 10 nm. The ferromagnetic materials are deposited by electron-beam and thermal evaporation as well as by magnetron sputtering processes. The thickness of the micro- and nanostructures typically are about 20 nm.
For the magnetic characterization of the electrodes and CoPt3 nanoparticles various techniques are employed. The domain configurations of the micro- and nanostructures are investigated with magnetic-force microscopy (MFM) and magnetic transmission X-ray microscopy (MTXM). Magnetic-force microscopy has been performed at the Institute for Applied Physics in Hamburg. Magnetic transmission X-ray microscopy has been carried out at the Center for X-Ray Optics at the Advanced Light Source (ALS) in Berkeley, USA. This technique is non-invasive and thus allows the measurement of stray field interaction of ferromagnetic microelements. Magnetic-force and magnetic transmission X-ray microscopy also have been employed to image the magnetization configurations of the same microstructured electrodes in order to compare these two imaging methods.
Hall micromagnetometry is an excellent non-invasive and adaptable tool to detect local stray fields of nanostructured ferromagnets. A particular advantage of Hall micromagnetometry concerns the wide length scale of structure sizes that can be studied. In the sub-micrometer range ferromagnetic electrodes suitable for spintronic devices in spinvalve and spin-transistor configuration have been investigated with this method. The high sensitivity of microstructured Hall sensors for nanometer-sized ferromagnetic elements is demonstrated by the detection of CoPt3 nanoparticles that have been spin-coated onto the Hall sensors. Magnetic properties like the coercive field, the blocking temperature, and the switching behavior of the particles have been determined.