Kurzfassung
Die vorliegende Arbeit gliedert sich in zwei Teile. Im ersten Teil
werden Magnetowiderstands(MR)-Untersuchungen an
Pt/Co/Pt-Schichtsystemen durchgeführt. Die polykristallinen
Proben werden über eine Kombination zweier
Zerstäubungstechniken auf einem SiO2-Substrat hergestellt und
weisen eine ausgeprägte fcc(111)-Textur auf. Für die
MR-Messungen werden die Proben in einer Drahtgeometrie
präpariert, wobei der Strom entlang der langen Achse der
Strukturen eingeprägt wird. Bei der Ausrichtung der
Magnetisierung entlang der Probennormalen (polare Geometrie,
ρp) zeigt sich gegenüber einer Ausrichtung in der
Probenebene senkrecht zum Strom (transversale Geometrie, ρt)
ein höherer spezischer Längswiderstand: ρp
> ρt. Dieser Befund lässt sich weder mit dem
anisotropen Magnetowiderstandseffekt (AMR), der in Kobalt der
dominierende MR-Effekt im Längswiderstand ist, noch
über den ebenfalls in Kobalt auftretenden geometrischen
Größeneffekt (GSE) erklären. Bei einer
Rotation der Magnetisierung in der Ebene senkrecht zur Stromrichtung
zeigt sich eine cos²-Abhängigkeit des Effekts. Eine Variation
der Kobalt-Schichtdicke dCo im Bereich 0,8 nm < dCo <
50 nm zeigt, dass der Effekt im Bereich der Co/Pt-Grenzflächen
entsteht. Deshalb wurde er anisotroper
Grenzflächen-Magnetowiderstand (AIMR) genannt. Im Bereich
kleiner Kobalt-Schichtdicken, in dem eine senkrechte magnetische
Vorzugsrichtung der Proben vorliegt, ist die Größe
des AIMR mit dem AMR vergleichbar. Ferner zeigt sich, dass der AIMR in
Cu/Co/Cu-Schichtsystemen nicht auftritt, so dass dieser Effekt durch
das Einfügen einer Kupfer-Zwischenschicht an den
Co/Pt-Grenzflächen gezielt ausgeschaltet werden kann. Die
beiden im Pt/Co/Pt-Schichtsystem vorhandenen
Co/Pt-Grenzflächen liefern sowohl zum AIMR, als auch zur
Grenzflächenanisotropie unterschiedliche Beiträge.
Im
zweiten Teil der Arbeit wird ein Verfahren zur Präparation und
magnetischen Charakterisierung von Co/Pt-Nanopartikeln vorgestellt.
Dazu werden zunächst mittels Elektronenstrahllithografie
Hall-Kreuze mit Stegbreiten unter 100 nm aus Co/Pt-Schichtsystemen auf
einem SiO2-Substrat hergestellt. Anschließend wird eine
Monolage mit SiO2-Kernen befüllter Diblock-Copolymer-Mizellen
auf die Probe aufgebracht. Die Kerne dienen als Schattenmaske im
nachfolgenden Ar+-Ionenätzprozess. In diesem Prozess wird das
Co/Pt-Schichtsystem bis in die Platin-Wachstumslage entfernt, so dass
sich unter den Mizellenkernen magnetische Co/Pt-Partikel bilden. Diese
Partikel haben Durchmesser von ca. 30 nm und einen mittleren Abstand im
Bereich von 100 nm. Zur Durchführung des
Ar+-Ionenätzprozesses wurde ein neuer experimenteller Aufbau
realisiert, bei dem die Probe während des Sputterns
neutralisiert und der Sputterabtrag mittels in
situ-Widerstandsmessungen kontrolliert werden kann. Die magnetische
Charakterisierung der Nanopartikel mittels anomalen Hall-Effekts (AHE)
zeigt, dass diese bei Raumtemperatur ferromagnetisch sind und einen
eindomänigen Grundzustand aufweisen. Mit der vorgestellten
Methode konnten einzelne Nanoteilchen mit einem Messsignal von ca. 8
µV und einem Signal-Rausch-Verhältnis von 55
detektiert werden, womit die hohe Sensitivität der Messmethode
demonstriert wird. Befinden sich mehrere Nanopartikel auf dem
Hall-Kreuz, können die AHE-Signale über ein neu
entwickeltes Messverfahren eindeutig den Partikeln zugeordnet werden.
Die Abhängigkeit der mittleren Schaltfelder der Teilchen von
der Orientierung des äußeren Magnetfelds zeigt, dass
die magnetischen Vorzugsrichtungen der Teilchen gegenüber der
Probennormalen verkippt sind. Die Temperaturabhängigkeit der
Schaltfelder im Bereich von 2,4 K < T < 300 K zeigt
Abweichungen des Schaltverhaltens der Teilchen vom
Néel-Brown-Modell, deren mögliche Ursachen
diskutiert werden.
This thesis is divided into two parts. In the first part the magnetoresistance (MR) of Pt/Co/Pt-layered structures is investigated. Utilizing a combination of two sputtering techniques the polycristalline samples are deposited onto a SiO2 substrate. They exhibit a pronounced fcc(111) texture. For the conduction of the MR measurements the samples are structured into a wire geometry. The current direction is parallel to the wire axis. When the magnetization is oriented along the film normal (polar geometry, ρp), the specific resistivity of the sample is higher compared to an orientation of the magnetization in the film plane perpendicular to the current direction (transverse geometry, ρt): ρp > ρt . This finding cannot be explained neither by the anisotropic magnetoresistance effect (AMR) which is the dominating MR effect in the longitudinal resistivity of cobalt, nor by the geometrical size effect (GSE) which is also found in cobalt. The rotation of the magnetization in the plane perpendicular to the current direction leads to a cos² -dependence of the effect. By varying the cobalt layer thickness dCo in the range of 0.8 nm < dCo < 50 nm it is shown that the new effect occurs at the Co/Pt interfaces. Hence, it is termed anisotropic interface magnetoresistance (AIMR). In the regime of small cobalt layer thickness, where the samples exhibit a perpendicular magnetic anisotropy, the size of the AIMR is comparable to the AMR. As the AIMR is not observed in Cu/Co/Cu-layered structures, it can be eliminated by adding a copper interlayer at the Co/Pt interfaces. Hereby it is shown that the two Co/Pt interfaces of the Pt/Co/Pt-layered structure contribute differently to both the AIMR and the magnetic interface anisotropy.
In
the second part of this thesis a method for the preparation and
magnetic characterization of Co/Pt nanodots is described. For this
purpose Co/Pt Hall crosses with wire widths below 100 nm are prepared
on a SiO2 substrate via electron beam lithography. Then the sample is
spin-coated with a monolayer of diblock copolymer micelles which are
filled with silica cores. These cores act as a shadow mask in the
subsequent Ar+ sputtering process. During the sputtering process the
Co/Pt-layered system is milled until the Pt seed layer is reached.
Underneath the silica cores Co/Pt nanodots are formed. These dots have
diameters around 30 nm and an average spacing of ca. 100 nm. For the
conduction of the Ar+ sputtering process a new experimental setup has
been built which allows the sample to be neutralized and the progress
of the sputtering to be monitored via in situ resistivity measurements.
Utilizing the anomalous Hall effect (AHE) as a probe, it is shown that
the dots are ferromagnetic single domain particles at room temperature.
With the described method it is possible to detect single nanodots with
an AHE-signal as high as 8 µV and a signal-to-noise ratio of
55, demonstrating the high sensitivity of the patterned Hall crosses.
In case of several dots being situated in the crossing region of the
Hall devices, it is possible to unambiguously assign the dots to their
respective signals by utilizing a newly developed measuring technique.
The dependence of the average switching fields of the dots on the
orientation of the external magnetic field reveals that the magnetic
easy axes of the dots are tilted randomly with respect to the film
normal. The temperature dependence of the switching fields in the region
2.4 K < T < 300 K shows deviations from the
Néel-Brown model. Possible reasons for these deviations are
discussed in this thesis as well.