"Hall- und Bend-Widerstands-Magnetometrie an mikro- und nanostrukturierten Ferromagneten"

Kurzfassung

In dieser Arbeit werden ferromagnetische Mikro- und Nanostrukturen aus dem konventionellen Ferromagneten Nickel (Ni) und der Legierung Permalloy (Ni₈₀Fe₂₀) untersucht. Mikro- und nanostrukturierte Ferromagnete spielen eine bedeutende Rolle in zukünftigen magneto- und spinelektronischen Anwendungen. Die magnetischen Eigenschaften der ferromagnetischen Strukturen können durch die äußere Form maßgeschneidert eingestellt werden. Mit Hilfe des Verfahrens der Hall-Magnetometrie wird das Streufeld der ferromagnetischen Strukturen lokal vermessen, da es einen Beitrag zum Hall-Effekt hat. Das Feld wird über die Fläche des Hall-Kreuzes gemittelt. Die Auflösung der Hall-Magnetometrie ist deshalb auf die Sensorfläche des Hall-Kreuzes beschränkt. Zur Verbesserung der Auflösung wird in dieser Arbeit der Bend-Widerstand verwendet. Bei dem Bend-Widerstand wird der Strom um eine Ecke 'gebogen' und die Spannung an der gegenüber liegenden 'Ecke' abgegriffen. Es wird nur ein Teil der Sensorfläche abgetastet. Mit dem Hall- und Bend-Widerstand wurden verschiedene Materialien und Strukturen untersucht:

• Arrays von aus Nickel bestehenden zylindrischen bistabilen Nanomagneten wurden auf Hall-Kreuzen integriert. Einzelne Nanomagnete, die sich leicht ausserhalb der Sensorfläche befanden, konnten identifiziert werden, da das Streufeld eine Hall-Spannung mit umgekehrtem Vorzeichen hervorruft, verglichen mit dem Streufeld von Nanomagneten auf dem Kreuz.
• Nanomagnete aus Nickel, deren Magnetisierungsvektor in der Ebene lag und rotieren konnte, wurden hergestellt. Es wurden zusätzlich Split-Gates auf dem Hall-bar integriert. Dadurch konnte der ballistische Elektronenstrahl kollimiert und abgelenkt werden.
• Es wurden Nanodisks aus Permalloy untersucht. Der Ummagnetisierungsprozess ist dabei abhängig von der Dicke und dem Durchmesser. Es wurden erstmalig Streufelduntersuchungen an einzelnen Nanodisks durchgeführt.
• Ein aus zwei rechteckigen Permalloy-Elementen bestehendes System wird Zwei-Mikromagnet-System genannt. Die beiden Mikromagnete sind durch einen sub-m-Abstand getrennt. Variiert man den Abstand, so verändert man die magnetostatische Wechselwirkung zwischen den Mikromagneten. Es zeigen sich deutliche Signaturen im Hall- und Bend-Widerstand.

Titel

Kurzfassung

Summary

In this work ferromagnetic nano- and microstructures made out of Nickel (Ni) and the alloy Permalloy (Ni₈₀Fe₂₀) have been investigated. Ferromagnetic micro- and nanostructures may play an important role in future magneto- and spinelectronic applications. The magnetic characteristics of micro- and nanostructures is determined by their outer dimensions. Hall magnetometry, a powerful method, is used to investigate the stray field of individual ferromagnetic structures on a local scale. The Hall effect averages over the area of the cross junction. For this, the resolution is limited to this sensor area. This method has been improved in this work by using a different kind of resistance, the so-called bend resistance. In the latter case, the current is bend around one corner of the cross and the voltage is probed at the opposite corner. As a result, the bend resistance is found to enhance the spatial resolution. By this means, different materials and structures were investigated:

• Arrays of cylindrical bistable nanomagnets of Nickel were prepared. When slightly displaced from the sensor area, the Hall-voltage induced by the stray field of bistable nanomagnets shows an opposite sign with respect to the voltage caused by nanomagnets on top of the junction.
• Arrays of rotational nanomagnets of Nickel were fabricated and studied. Split-gates were integrated on this sample. The ballistic electron beam could be collimated and deflected by this means.
• For nanodisks of Permalloy it was found that the reversal process depends on diameter and thickness of these structures. It is the first time, that stray field investigations have been performed on individual nanodisks.
• A system containing two closely spaced rectangular elements of Permalloy, a so-called two-micromagnet-system, shows a variation of magnetostatic interaction between this micromagnets and distinctive differences in the Hall- and bend-resistance, if the separation is varied.