Kurzfassung
Im Rahmen dieser Arbeit werden statische und dynamische Zustände in magnetischen Systemen reduzierter Dimensionen mittels Rasterelektronenmikroskopie mit Polarisationsanalyse (SEMPA) untersucht. Zunächst wird ein kurzer einführender Überblick über die historische Entwicklung und den aktuellen Stand der magnetischen Speichermedien, mit einem Fokus auf „random-access memory“ (RAM), gegeben. Die grundlegenden Konzepte moderner, magnetischer, nichtflüchtiger Speichermedien werden eingeführt. Die physikalischen Mechanismen, die sich hinter den Phänomenen verbergen, welche verwendet werden um auf einzelne Bits zuzugreifen und sie zu manipulieren werden erläutert.
Die magnetische Bildgebung ist ein leistungsstarkes und dennoch illustratives Werkzeug, um die Physik hinter diesen Mechanismen weiter zu erforschen. Nach einem kurzen Überblick über die Geschichte und den aktuellen Stand der magnetischen Abbildungsverfahren wird die Funktionsweise des SEMPA erläutert. Die bildgebenden Fähigkeiten des SEMPA werden verwendet, um die stationäre Verschiebung einer magnetischen Wirbelstruktur, die in einem Quadrat aus Permalloy eingeschlossen ist, durch einen Gleichstrom zu untersuchen. Aus der Messung wird der volle Satz der „spin-transfer torque“ Parameter bestimmt. Im Zuge dieser Untersuchung wird der physikalische Ursprung des nichtadiabatischen Beitrages (β = 0.12 ± 0.02) untersucht. Es wird gezeigt, dass dieser aus zwei Komponenten besteht: eine, die nur von den inneren Eigenschaften des Materials abhängt (29%) und eine, die von der Divergenz der magnetischen Textur bestimmt wird (71%).
Ein Konzept zur Verbesserung der Zeitauflösung des SEMPA in den Bereich von einer Nanosekunde wird vorgestellt. Die Zuverlässigkeit des Konzepts wird durch Beobachtung der Kreisbewegung eines von einem Hochfrequenzfeld (70 MHz) angeregeten magnetischenWirbelkerns nachgewiesen. Aus der elliptischen Form des Bewegungsmusters wird die Resonanzfrequenz des magnetischen Quadrates abgeleitet, welches den Wirbelkern beinhaltet. In einem weiteren Projekt dieser Arbeit wird das Wechselspiel zwischen ferromagnetischen und ferroelektrischen Domänenwänden untersucht. In 20 nm dickem Co40Fe40B20 auf BaTiO3 sind die ferromagnetischen Wände an die ferroelektrischen Wände gekoppelt. Zwei Arten von magnetischen 90° Domänenwänden werden in diesem System identifiziert: Geladene Wände entstehen, nachdem ein externes Magnetfeld parallel zu den ferroelektrischen Domänenwänden angelegt wird. Ungeladene Wände hingegen entstehen, wenn das Feld senkrecht zu den ferroelektrischen Domänenwänden angelegt wird. Die Breite der beiden Wandtypen wird mittels SEMPA verglichen und es zeigt sich, dass die geladenen Wände (≈ 770 nm) um einen Faktor fünf breiter sind als die ungeladenen Wände (≈ 150 nm).
Diese Arbeit schließt mit einem theoretischen Abschnitt. In diesem wird die uniaxiale Anisotropie abgeleitet, die entsteht, wenn ein magnetischer Film auf einem gewellten Substrat hergestellt wird. Die Stärke der Anisotropie wird für eine Ausrichtung der Magnetisierung entlang der harten Richtung innerhalb der Filmebene, senkrecht zu der Wellenstruktur, berechnet. Zwei magnetische Konfigurationen werden behandelt: In der welligen Konfiguration folgt die Magnetisierung der welligen Struktur des Filmes und in der gleichförmigen Konfiguration ist die Magnetisierung starr in eine Richtung gerichtet. Ein Schichtdicken-abhängiger Übergang zwischen beiden Konfigurationen wird hierbei identifiziert. Die Ergebnisse werden mit experimentellen Arbeiten verglichen.
Within this thesis, static and dynamic states in magnetic systems of reduced dimensions are investigated by means of the advanced magnetic imaging technique “scanning electron microscopy with polarization analysis” (SEMPA). After a short introductory overview of the historical development of storage media, its current status is described with a focus on randomaccess memory (RAM). The basic concepts of modern non-volatile storage devices based on magnetism are introduced and the physical mechanisms behind the phenomena that are used to manipulate and access the data are discussed.
Magnetic imaging is a powerful, yet illustrative tool to further explore the physics behind these mechanisms. After a short overview of the history and current status of magnetic imaging techniques, the working principle of SEMPA is explained. The imaging capabilities of SEMPA are used to investigate the current-driven stationary displacement of a magnetic vortex core confined in a square permalloy element. The full set of spin-transfer torque parameters is obtained from the measurement. In the course of the investigation, the physical origin of the nonadiabatic contribution (β = 0.12 ± 0.02) is explored. It is shown to consist of one component that depends on the intrinsic properties of the material (29%) and one component that depends on the divergence of the magnetic texture (71%).
A concept for enhancing the temporal resolution of SEMPA into the regime of one nanosecond is presented. The feasability of the concept is proven by observing the gyration of a magnetic vortex core that is excited by a high-frequency field (f = 70 MHz). From the elliptic shape of the movement pattern, the resonance frequency of the square permalloy element that contains the vortex core is derived.
In another project of this thesis, the interplay between ferromagnetic and ferroelectric domain walls is investigated. In 20 nm thick Co40Fe40B20 on BaTiO3, the ferromagnetic domain walls are pinned on top of the ferroelectric ones. Two types of magnetic 90° domain walls are identified: Charged walls are created after an external field was applied parallel to the ferroelectric domain walls. When the field is applied perpendicular to the ferroelectric domain walls, uncharged walls are created. The width of both wall types is compared with SEMPA. The width is found to be enhanced by 500% for the charged walls (≈ 770nm) compared to the uncharged walls (≈ 150nm).
The thesis concludes with a theoretical chapter in which the uniaxial anisotropy is derived that emerges when a magnetic film is prepared on top of a rippled substrate. The strength of the anisotropy is calculated for an alignment of the magnetization along the hard in-plane axis, perpendicular to the ripple pattern. Two magnetic configurations are considered: In the wavy configuration, the local magnetization follows the ripple structure of the film. In the uniform configuration, a rigid magnetization is present. A thickness-dependent transition between both states is identified. The results are compared to experimental studies.