Mikro-Hall-Magnetometrie an ferromagnetischen Nanostrukturen im Vortex- und Single-Domain-Regime

Doctoral thesis German OPEN
Stahl, Joachim (2007)
  • Subject: 530 Physik | ddc:530

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung des Ummagnetisierungsverhaltens ferromagnetischer Permalloy-Kreisscheiben. Im Gegensatz zu integralen Methoden, die über eine Vielzahl nominell identischer Strukturen mitteln, wird das individuelle Schaltverhalten einzelner Strukturen analysiert. Die Untersuchungen erfolgten dabei mit Hilfe der Mikro-Hall-Magnetometrie und der Lorentz-Transmissions-Elektronen-Mikroskopie und werden mit mikromagnetischen Simulationen verglichen. Für die Hall-Magnetometrie werden mikrostrukturierte Hall-Sonden eingesetzt, die auf GaAs/AlGaAs- oder InGaSb-Heterostrukturen basieren. Die Hall-Sensoren erlauben das Streufeld eines Partikels mit Ausdehnungen weit unter einem Mikrometer während der Ummagnetisierung zu detektieren und ermöglichen so Rückschlüsse auf die jeweilige Magnetisierungskonfiguration. Permalloy-Kreisscheiben bilden � abhängig vom Verhältnis von Durchmesser zu Dicke � in Remanenz entweder eine kreisrund geschlossene Wirbelstruktur der Magnetisierung (Vortex) aus, oder aber die Scheibe besitzt eine einheitlich ausgerichtete Magnetisierung (Single-Domain-Zustand). Die Untersuchung von Permalloy-Kreisscheiben (Durchmesser 500 nm, Dicke 30 nm) mit zwei künstlich eingebrachten Defekten steht dabei zunächst im Mittelpunkt. Diese Geometrie liegt im Vortex-Regime, und hier lässt sich der Vortex gezielt an einem der beiden Defekte (magnetische Antidots) pinnen, was in zwei remanenten Zuständen resultiert. Dieses Verhalten lässt sich über einen weiten Bereich der Defektabstände beobachten. Das bistabile magnetische Verhalten ist prinzipiell zur Speicherung eines Bits geeignet. Die Untersuchungen wurden an einer Vielzahl nominell identischer Strukturen durchgeführt und zeigen eine deutliche Streuung der Schaltfelder, deren Ursache gezielt untersucht wurde. Im Folgenden steht der Übergang zwischen Vortex- und Single-Domain-Regime bei Permalloy-Kreisscheiben im Blickpunkt der Arbeit. Permalloy-Kreisscheiben mit einer Dicke von 10 nm zeigen in mikromagnetischen Simulationen bis hin zu einem maximalen Durchmesser von etwa 100 nm eindomäniges Verhalten. Mittels Mikro-Hall-Magnetometrie wurden hier Scheiben mit einem Durchmesser in diesem Bereich untersucht. Hier konnte erstmals mittels Mikro-Hall-Magnetometrie eine rechteckige Hysteresekurve individueller Single-Domain-Scheiben beobachtet werden. Dabei zeigte sich, dass nominell identische Scheiben deutlich unterschiedliche Schaltfelder aufweisen können, während das Schaltfeld einer einzelnen Struktur sehr gut reproduzierbar ist. Verdünnt magnetische Halbleitern stellen eine vielversprechende Materialklasse für Spininjektion dar und stehen daher im Brennpunkt der aktuellen Forschung. Für die Untersuchung mikrostrukturierter Elemente wurde daher im Rahmen dieser Arbeit ein Prozess entwickelt, der es ermöglicht die Mikro-Hall-Magnetometrie auch für diese temperaturempfindlichen Materialien zu erschließen. Damit ist das Tor zur Untersuchung dieser Materialien mittels Hall-Magnetometrie weit aufgestoßen.
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