<div>The response time of magnetization switching in current spintronic devices is limited to nanosecond timescales due to the precessional motion of the magnetization during reversal. To overcome this limit two routes of investigation leading to novel recording and logic devices are considered in this thesis: 1) Magnetic tunnel junction structures where the recording and reference layers are replaced by synthetic ferrimagnets and switching is induced by spin transfer torque and 2) Hybrid magneto-photonic devices where switching is induced by plasmon-enhanced all-optical switching. To circumvent limitations of the materials and magnetic properties of CoFeB, the most utilized alloy in spintronics, hcp-CoCrPt, a material that exhibits superior perpendicular anisotropy and thermal stability, is chosen as the ferromagnetic electrode in this work. Whereas actual devices based on the two schemes aforementioned are still in the process of being fabricated, through collaborative work with our international collaborators, this thesis describes fundamental magnetic and structural characterization needed for the realization of said ultrafast switching devices. The magnetic switching behavior of CoCrPt-Ru-CoCrPt synthetic ferrimagnets with perpendicular magnetic anisotropy have been studied in the temperature range from 2K to 300K. It was found that two sets of magnetic transitions occur in the CoCrPt-Ru-CoCrPt ferrimagnet systems studied. The first set exhibits three magnetization states in the 50K – 370K range, whereas the second involves only two states in the 2K and 50K range. The magnetic hysteresis curves of the synthetic ferrimagnet are assessed using an energy diagram technique which accurately describes the competition between interlayer exchange coupling energy, Zeeman energy, and anisotropy energy in the system. This energy diagram analysis is then used to predict the changes in the magnetic hysteresis curves of the synthetic ferrimagnet from 200K to 370K. This represents the potential operation temperature extrema that a synthetic ferrimagnet could be expected to operate at, were it to be utilized as a free layer in a memory or sensor spintronic device in the device configuration described in this dissertation.</div><div>Circularly polarized fs laser pulses generate large opto-magnetic fields in magnetic materials, through the inverse Faraday effect. These fields are attributed to be largely responsible for achieving ultrafast all-optical magnetization switching (AOS). All experimental demonstrations of AOS thus far have been realized on thin films over micron-sized irradiated regions. To achieve magnetization switching speeds in the ps and potentially fs time regimes, this work proposes the use of surface plasmon resonances at the interface of hybrid magneto-photonic heterostructures. In addition to the ability of plasmon resonances to confine light in the nm scale, the resonant excitation can largely enhance induced opto-magnetic fields in perpendicular magnetic anisotropy materials. This requires strong spin-photon coupling between the plasmonic and the magnetic materials, which thus requires the minimization of seed layers used for growth of the magnetic layer. This work reports on the development of ultrathin (1 nm thick) interlayers to control the growth orientation of hcp-Co alloys grown on the refractory plasmonic material, TiN, to align the magnetic axis out-of-plane. CoCrPtTa seed layers down to 1 nm were developed to seed the growth of CoCrPt, and the dependence of the quality of the CoCrPt is investigated as Ta composition is varied in the seed layer. Whereas bismuth iron garnet (BIG) meets the magneto-optical requirements for a hybrid magneto-photonic material, its magnetic and structural properties are highly sensitive to the Bi:Fe ratio and must be grown epitaxially on single crystalline substrates. Therefore, in this work we have investigated alternative materials that offer superior magnetic properties and are amenable to growth on inexpensive substrates. Opto-magnetic field enhancements up to 2.6x in Co-ferrite magneto-photonic heterostructures have been obtained via finite element analysis modelling. Alternative materials for plasmon-enhanced all-optical switching such as Co/Pd multilayers have also been investigated. Successful growth of Co/Pd multilayers on TiN using ultrathin Ti interlayers has been achieved. </div><div><br></div>

Due to the ever-increasing worldwide consumption of memory for digital information, new technologies for higher capacity and faster data storage systems have been the focus of research and development. A step towards achieving higher data storage densities or magnetic recording media is the concept of bit patterned media, where the magnetic recording layer is divided up into magnetically isolated bit units. This approach is one of the most promising technologies for increasing data storage densities and could be implemented by nanostructuring the wafer. Therefore, the fabrication of the appropriate nanostructures on a small scale and then be able to manufacture these structures on an industrial scale is one of the problems where science and industry are working on a solution. In addition, the answer to the open question about the influence that patterning on the nano length scale has on the magnetic properties is of great interest. The main goal of this thesis is to answer the open question, which magnetic properties can be tailored by a modification of the surface texture on the nanometre length scale. For this purpose the following properties: anisotropy, remanence, coercivity, switching field distribution, saturation magnetisation, Gilbert damping, and inhomogeneous linebroadening were compared between planar two dimensional thin ferromagnetic films and three dimensional magnetic structures. In addition, the influences of the tailored morphology on the intergranular or the exchange coupling between the structures, which is called interdot exchange coupling, was investigated. For the ferromagnetic thin films, the focus of the investigations was on the granular CoCrPt:SiO2 and [Co/Pd] layer, which currently are the state-of-the-art material for magnetic data storage media. These materials are characterised by their high coercivity and high perpendicular anisotropy, which has a low spatial distribution in the preferred direction of magnetisation. In this work the pre-structured GaSb(001) substrate with self-assembled periodic nanocone structures at the surface are used. The preparation by ion beam erosion of these structures is simple, fast, and highly reproducible and therefore this method is particularly beneficial for fundamental research. To compare the 2D thin films with the 3D magnetic structures, besides the pre-structured specimen, planar samples were also fabricated. The first sample series prepared was coated by Py. Due to the fact that the magnetic properties of this material are well-known, it was also possible to do some OOMMF simulations in addition to the VNA-FMR and MOKE measurements. Afterwards two planar samples with CoCrPt and CoCrPt:SiO2 were prepared. The planar CoCrPt:SiO2 samples were Co+ ion implanted to study the influence of such irradiation on the intergranular and interdot exchange coupling, switching field distribution, and in particular on the spin dynamics. Moreover, both samples were measured by TRMOKE in order to obtain information about the spin dynamics. Subsequently, the perpendicular storage media materials CoCrPt:SiO2 and [Co/Pd] were deposited on a prestructured GaSb(001) nanocone substrate surface. These sample series were measured by MOKE, SQUID, and vector-VSM. The measurements demonstrate the influence of the periodicity and height of the nanocones on the intergranular and interdot exchange coupling. They also show the reorientation of the magnetisation with respect to the curvature of the substrate template and furthermore, the morphology-induced influences on the magnetic domains. From the comparison between the results for the planar and the pre-structured samples, a decrease of the interdot exchange coupling was observed, which scales together with the periodicity of the nanocone pattern. In addition, it was shown that for all samples with thin magnetic films on nanocones,the magnetisation aligns along the curvature of the underlying nanocone structure. For Py on nanocones, planar granular CoCrPt:SiO2, and planar granular CoCrPt, measurements by VNA-FMR and TRMOKE could be carried out, which yielded information about the spin dynamics. The results obtained for both of the planar sample are comparable to values from the literature for the Gilbert damping. The results for the Py samples showed that the commonly used 2D model resonance condition is, in case of a 3D magnetic structure, no longer valid due to the alignment of the magnetisation along the underlying substrate structure and therefore an new model has to be derived. / Aufgrund des weltweiten, immer weiter steigenden Bedarfs an Speicherplatz von digitalen Information, sind neue Technologien für größere und schnellere Speichermedien im Fokus von Forschung und Entwicklung. Ein Schritt hin zu einer höheren Speicherdichte in der magnetischen Datenspeicherung ist dabei das sogenannte Konzept der ”Bit patterned media”, das definierte Informationseinheiten auf regelmäßig angeordneten Nanostrukturen beschreibt. Dieser Ansatz ist einer der derzeit vielversprechendsten Optionen die Speicherdichte zu erhöhen. Dabei ist die Herstellung der benötigten Nanostrukturen und deren Skalierung hin zu makroskopischen Dimensionen eines der Probleme an deren Lösung die Wissenschaft und Industrie derzeit arbeitet. Desweiteren ist die Antwort auf die noch offene Frage nach der Beeinflussung der nanoskaligen Strukturen auf die magnetischen Eigenschaften von großem Interesse. Das Hauptziel in dieser Arbeit ist es, einen Beitrag zur Beantwortung der Frage, welche magnetischen Eigenschaften sich durch eine Veränderung der Oberflächenstruktur im Nanometerbereich beeinflussen lassen, zu leisten. Hierzu wurden die folgenden Eigenschaften, wie zum Beispiel die Anisotropie, Remanenz,Koerzitivität, Schaltfeldverteilung, Sättigungsmagnetisierung, Gilbertdämpfung und inhomogene Linienverbreiterung von planaren zweidimensionalen dünnen ferromagnetische Schichten mit denen von dreidimensionalen magnetischen Strukturen verglichen. Zusätzlich wurde der Einfluss der angegpassten Morphologie auf die intergranularen- beziehungsweise auf die zwischen den Strukturen wirkende (interdot) Austauschkopplung untersucht. Der Hauptaugenmerk bei den ferromagnetisch dünnen Schichten lag dabei auf den granularen CoCrPt:SiO2 und [Co/Pd] Filmen, die heutzutage ein Standardmaterial für die magnetischen Speichermedien darstellen. Diese Materialien zeichnen sich durch eine hohe Koerzivität und senkrechte Anisotropie, mit geringer räumlicher Verteilung der Vorzugsrichtung der Magnetisierung, aus. Die hier vorgestellten vorstrukturierten GaSb(001) Substrate mit selbstordnenden periodischen Nanokegeln auf der Oberfläche, sind mittels Ionenstrahlerosion einfach, schnell und sehr gut reproduzierbar herzustellen. Deshalb ist diese Methode besonders für die Grundlagenforschung von Vorteil. Um einen Vergleich zwischen 2D Filmen und 3D Strukturen ziehen zu können, wurden neben den vorstrukturierten Substraten auch planare Proben beschichtet. Eine erste Versuchsreihe wurde mit einem dünnen Py Film präpariert. Da dessen magnetische Eigenschaften wohlbekannt sind, konnten neben den Untersuchungen mit VNA-FMR und MOKE auch einige OOMF Simulationen erstellt werden. Danach wurden zwei Proben mit planarem CoCrPt beziehungsweise CoCrPt:SiO2 untersucht. Bei den planaren CoCrPt:SiO2 Proben wurden außerdem noch Co+ Ionen implantiert, um deren Auswirkungen auf die intergranulare Austauschkopplung, Schaltfeldverteilung und besonders auf die Spindynamik zu bestimmen. Bei beiden Probensystemen konnte zusätzlich die Spindynamik mittels zeitaufgelöstem MOKE gemessen werden. Im Anschluss wurden die beiden senkrechten Speichermedien CoCrPt:SiO2 and [Co/Pd] auf Substraten mit Nanokegeln vorstrukturierten GaSb(001) Oberflächen abgeschieden. Diese Proben wurden mit MFM, MOKE, SQUID und Vektor-VSM vermessen. Aus den Messungen konnnten dann die Einflüsse auf die intergranulare- beziehungsweise interdot Austauschkopplung in Abhängigkeit von der Periodizität und Höhe der Nanokegel bestimmt werden, sowie die Umorientierung der Magnetisierung bezüglich der Substratkrümmung und den Morphologie induzierten Einfluss auf die magnetischen Domänen. Anhand der Vergleiche zwischen den Messungen der planaren und den vorstrukturierten Proben konnte eine Verringerung der Austauschkopplung zwischen den Strukturen gezeigt werden, die mit der Nanokegelstrukturperiodizität skaliert. Außerdem wurde in allen dünnen magnetischen Filmen auf Nanokegeln gezeigt, dass die Magnetisierung sich in Abhängigkeit der darunterliegenden Struktur ausrichtet. Bei den Py auf Nanokegeln, den planaren CoCrPt und dem planaren CoCrPt:SiO2 Proben konnten außerdem mit VNA-FMR und TRMOKE Informationen bezüglich der Spindynamik gemessen werden. Die erzielten Ergebnisse, der beiden planaren Proben, sind vergleichbar mit denen, aus der Literatur bekannten Werten, für die Gilbertdämpfung. Darüber hinaus wurde durch die Messungen an den Py Proben gezeigt, dass die Theorie, des bisher genutzten 2D Modells, nicht mehr gültig ist, da sich die Magnetisierung entlang der Substratstruktur ausrichtet, und deshalb ein neues Model aufgestellt werden muss.

Due to the ever-increasing worldwide consumption of memory for digital information, new technologies for higher capacity and faster data storage systems have been the focus of research and development. A step towards achieving higher data storage densities or magnetic recording media is the concept of bit patterned media, where the magnetic recording layer is divided up into magnetically isolated bit units. This approach is one of the most promising technologies for increasing data storage densities and could be implemented by nanostructuring the wafer. Therefore, the fabrication of the appropriate nanostructures on a small scale and then be able to manufacture these structures on an industrial scale is one of the problems where science and industry are working on a solution. In addition, the answer to the open question about the influence that patterning on the nano length scale has on the magnetic properties is of great interest. The main goal of this thesis is to answer the open question, which magnetic properties can be tailored by a modification of the surface texture on the nanometre length scale. For this purpose the following properties: anisotropy, remanence, coercivity, switching field distribution, saturation magnetisation, Gilbert damping, and inhomogeneous linebroadening were compared between planar two dimensional thin ferromagnetic films and three dimensional magnetic structures. In addition, the influences of the tailored morphology on the intergranular or the exchange coupling between the structures, which is called interdot exchange coupling, was investigated. For the ferromagnetic thin films, the focus of the investigations was on the granular CoCrPt:SiO2 and [Co/Pd] layer, which currently are the state-of-the-art material for magnetic data storage media. These materials are characterised by their high coercivity and high perpendicular anisotropy, which has a low spatial distribution in the preferred direction of magnetisation. In this work the pre-structured GaSb(001) substrate with self-assembled periodic nanocone structures at the surface are used. The preparation by ion beam erosion of these structures is simple, fast, and highly reproducible and therefore this method is particularly beneficial for fundamental research. To compare the 2D thin films with the 3D magnetic structures, besides the pre-structured specimen, planar samples were also fabricated. The first sample series prepared was coated by Py. Due to the fact that the magnetic properties of this material are well-known, it was also possible to do some OOMMF simulations in addition to the VNA-FMR and MOKE measurements. Afterwards two planar samples with CoCrPt and CoCrPt:SiO2 were prepared. The planar CoCrPt:SiO2 samples were Co+ ion implanted to study the influence of such irradiation on the intergranular and interdot exchange coupling, switching field distribution, and in particular on the spin dynamics. Moreover, both samples were measured by TRMOKE in order to obtain information about the spin dynamics. Subsequently, the perpendicular storage media materials CoCrPt:SiO2 and [Co/Pd] were deposited on a prestructured GaSb(001) nanocone substrate surface. These sample series were measured by MOKE, SQUID, and vector-VSM. The measurements demonstrate the influence of the periodicity and height of the nanocones on the intergranular and interdot exchange coupling. They also show the reorientation of the magnetisation with respect to the curvature of the substrate template and furthermore, the morphology-induced influences on the magnetic domains. From the comparison between the results for the planar and the pre-structured samples, a decrease of the interdot exchange coupling was observed, which scales together with the periodicity of the nanocone pattern. In addition, it was shown that for all samples with thin magnetic films on nanocones,the magnetisation aligns along the curvature of the underlying nanocone structure. For Py on nanocones, planar granular CoCrPt:SiO2, and planar granular CoCrPt, measurements by VNA-FMR and TRMOKE could be carried out, which yielded information about the spin dynamics. The results obtained for both of the planar sample are comparable to values from the literature for the Gilbert damping. The results for the Py samples showed that the commonly used 2D model resonance condition is, in case of a 3D magnetic structure, no longer valid due to the alignment of the magnetisation along the underlying substrate structure and therefore an new model has to be derived. / Aufgrund des weltweiten, immer weiter steigenden Bedarfs an Speicherplatz von digitalen Information, sind neue Technologien für größere und schnellere Speichermedien im Fokus von Forschung und Entwicklung. Ein Schritt hin zu einer höheren Speicherdichte in der magnetischen Datenspeicherung ist dabei das sogenannte Konzept der ”Bit patterned media”, das definierte Informationseinheiten auf regelmäßig angeordneten Nanostrukturen beschreibt. Dieser Ansatz ist einer der derzeit vielversprechendsten Optionen die Speicherdichte zu erhöhen. Dabei ist die Herstellung der benötigten Nanostrukturen und deren Skalierung hin zu makroskopischen Dimensionen eines der Probleme an deren Lösung die Wissenschaft und Industrie derzeit arbeitet. Desweiteren ist die Antwort auf die noch offene Frage nach der Beeinflussung der nanoskaligen Strukturen auf die magnetischen Eigenschaften von großem Interesse. Das Hauptziel in dieser Arbeit ist es, einen Beitrag zur Beantwortung der Frage, welche magnetischen Eigenschaften sich durch eine Veränderung der Oberflächenstruktur im Nanometerbereich beeinflussen lassen, zu leisten. Hierzu wurden die folgenden Eigenschaften, wie zum Beispiel die Anisotropie, Remanenz,Koerzitivität, Schaltfeldverteilung, Sättigungsmagnetisierung, Gilbertdämpfung und inhomogene Linienverbreiterung von planaren zweidimensionalen dünnen ferromagnetische Schichten mit denen von dreidimensionalen magnetischen Strukturen verglichen. Zusätzlich wurde der Einfluss der angegpassten Morphologie auf die intergranularen- beziehungsweise auf die zwischen den Strukturen wirkende (interdot) Austauschkopplung untersucht. Der Hauptaugenmerk bei den ferromagnetisch dünnen Schichten lag dabei auf den granularen CoCrPt:SiO2 und [Co/Pd] Filmen, die heutzutage ein Standardmaterial für die magnetischen Speichermedien darstellen. Diese Materialien zeichnen sich durch eine hohe Koerzivität und senkrechte Anisotropie, mit geringer räumlicher Verteilung der Vorzugsrichtung der Magnetisierung, aus. Die hier vorgestellten vorstrukturierten GaSb(001) Substrate mit selbstordnenden periodischen Nanokegeln auf der Oberfläche, sind mittels Ionenstrahlerosion einfach, schnell und sehr gut reproduzierbar herzustellen. Deshalb ist diese Methode besonders für die Grundlagenforschung von Vorteil. Um einen Vergleich zwischen 2D Filmen und 3D Strukturen ziehen zu können, wurden neben den vorstrukturierten Substraten auch planare Proben beschichtet. Eine erste Versuchsreihe wurde mit einem dünnen Py Film präpariert. Da dessen magnetische Eigenschaften wohlbekannt sind, konnten neben den Untersuchungen mit VNA-FMR und MOKE auch einige OOMF Simulationen erstellt werden. Danach wurden zwei Proben mit planarem CoCrPt beziehungsweise CoCrPt:SiO2 untersucht. Bei den planaren CoCrPt:SiO2 Proben wurden außerdem noch Co+ Ionen implantiert, um deren Auswirkungen auf die intergranulare Austauschkopplung, Schaltfeldverteilung und besonders auf die Spindynamik zu bestimmen. Bei beiden Probensystemen konnte zusätzlich die Spindynamik mittels zeitaufgelöstem MOKE gemessen werden. Im Anschluss wurden die beiden senkrechten Speichermedien CoCrPt:SiO2 and [Co/Pd] auf Substraten mit Nanokegeln vorstrukturierten GaSb(001) Oberflächen abgeschieden. Diese Proben wurden mit MFM, MOKE, SQUID und Vektor-VSM vermessen. Aus den Messungen konnnten dann die Einflüsse auf die intergranulare- beziehungsweise interdot Austauschkopplung in Abhängigkeit von der Periodizität und Höhe der Nanokegel bestimmt werden, sowie die Umorientierung der Magnetisierung bezüglich der Substratkrümmung und den Morphologie induzierten Einfluss auf die magnetischen Domänen. Anhand der Vergleiche zwischen den Messungen der planaren und den vorstrukturierten Proben konnte eine Verringerung der Austauschkopplung zwischen den Strukturen gezeigt werden, die mit der Nanokegelstrukturperiodizität skaliert. Außerdem wurde in allen dünnen magnetischen Filmen auf Nanokegeln gezeigt, dass die Magnetisierung sich in Abhängigkeit der darunterliegenden Struktur ausrichtet. Bei den Py auf Nanokegeln, den planaren CoCrPt und dem planaren CoCrPt:SiO2 Proben konnten außerdem mit VNA-FMR und TRMOKE Informationen bezüglich der Spindynamik gemessen werden. Die erzielten Ergebnisse, der beiden planaren Proben, sind vergleichbar mit denen, aus der Literatur bekannten Werten, für die Gilbertdämpfung. Darüber hinaus wurde durch die Messungen an den Py Proben gezeigt, dass die Theorie, des bisher genutzten 2D Modells, nicht mehr gültig ist, da sich die Magnetisierung entlang der Substratstruktur ausrichtet, und deshalb ein neues Model aufgestellt werden muss.