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Les parois de domaines dans les films ferromagnétiques ultra-minces sont au cœur de nombreux systèmes émergents pour le traitement et le stockage de l’information. L’observation de ces textures d’aimantation reste cependant délicate, notamment en raison des très faibles densités de moments magnétiques mises en jeu dans ces matériaux magnétiques, épais de quelques couches atomiques seulement. Dans cette thèse, nous proposons l’utilisation d’une nouvelle technique d’imagerie magnétique pour étudier les parois de domaines, la microscopie à balayage de centre NV. Cette technique, qui repose sur la mesure du déplacement Zeeman de l’énergie du spin électronique unique d’un centre coloré NV du diamant, combine des caractéristiques sans équivalent, permettant de mesurer le champ magnétique de manière quantitative dans un volume de détection de taille atomique. Le début du manuscrit vise à introduire les parois de domaines magnétiques dans les films ultra-minces, en regard de leurs potentielles applications. Nous dressons ensuite un état de l’art des techniques permettant d’observer ces objets, en soulignant leurs avantages et leurs inconvénients. L’expérience de microscopie magnétique à balayage de centre NV est alors décrite, et nous montrons que ses caractéristiques sont idéales pour l’imagerie des parois de domaines dans les couches ferromagnétiques ultra-minces. Dans la suite du manuscrit nous développons trois exemples en lien avec ces objets, pour lesquels la microscopie à centre NV permet d’apporter des informations nouvelles. Nous commençons par étudier l’interaction des parois avec les défauts du matériau, en observant la dynamique de sauts de Barkhausen thermiquement activés. Nous étudions ensuite le matériau plus en détail, en introduisant une mesure quantitative de la densité de moments magnétiques résolue à des échelles submicroniques. Enfin, nous présentons une méthode permettant de déterminer la structure interne des parois de domaines par la mesure de leur champ magnétique de fuite. Cette méthode est appliquée à diverses couches ferromagnétiques ultra-minces, afin d’étudier l’influence de l’interaction interfaciale de Dzyaloshinskii-Moriya sur la structure de la paroi. L’ensemble des résultats obtenus grâce à la microscopie à balayage de centre NV dans les couches ultra-minces ferromagnétiques démontrent les potentialités de la technique, et ouvrent de nombreuses perspectives quant à l’utilisation de cette nouvelle technique pour les études en nanomagnétisme. / Domain walls in ultra-thin ferromagnetic films are the cornerstones of many emerging devices, for both information processing and data storage. However, observing such magnetization patterns remains challenging, notably because the number of magnetic moments is particularly low in these atomic-thick layer. In this thesis, we propose to use a new imaging technique for studying domain walls, namely the NV centre scanning microscopy. This technique relies on the measurement of the energy shifts caused by the Zeeman effect on the electronic spin of a single NV colour centre in diamond, and combines unequalled characteristics for measuring the magnetic field in a quantitative fashion and with an atomic detection volume. The beginning of the thesis introduces domain walls in ultra-thin ferromagnetic films, in regard to their potential applications. In the following, we depict different techniques at the state of the art for observing these objects, stressing on their advantages and on their drawbacks. The experimental setup of scanning NV microscopy is then described, and we show that is characteristics are ideal for imaging domain walls in ultra-thin ferromagnetic films. The end of the thesis is focused on three problems linked with these objects, for which NV microscopy can bring new insights. Firstly, we begin with studying the interaction between a domain wall and defects by observing the dynamics of thermally activated Barkhausen jumps. Secondly, we study the material more in details, by introducing a new way to measure the magnetic moment density at a submicron scale. Lastly, we describe a method allowing for the determination of the inner structure of a domain wall, through a stray magnetic field measurement. This method is applied to different ultra-thin ferromagnetic layers, in order to study the influence of the interfacial Dzyaloshinskii-Moriya interaction on the domain wall structure. All the results obtained by scanning NV microscopy demonstrate the potentiality of the technique, and open many new perspectives for using this new technique to solve nanomagnetism issues.

Made available in DSpace on 2014-12-17T15:14:57Z (GMT). No. of bitstreams: 1 TiberioMLA_DISSERT.pdf: 5996955 bytes, checksum: 689080ca5f207d43776c16e5aab237d7 (MD5) Previous issue date: 2012-07-27 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Cient?fico e Tecnol?gico / Today, one of the topics that attracts interest of the scientific community is the understanding of magnetic properties of magnetic systems with reduced dimensions, in particular, ferromagnetic thin films. In this case, the comprehension and control of these properties, as well as the development of routes to obtain them, are crucial issues in many aspects of current and future technologies for storage and transmission of information in the electro-electronic industry. There are several materials that exhibit soft magnetic properties, and we highlight the amorphous alloys and that ones obtained by partial crystallization, so-called nanocrystalline materials. The production of these alloys as magnetic ribbons is very common in scientific and technological area, but there are just a few works related to the production of these alloys as thin films. In this work, we studied the quasi-static magnetic properties of ferromagnetic thin films based on FeCuNbSiB in a wide range of thicknesses, from 20 to 500 nm, produced by sputtering. In particular, after the structural characterization performed via X-ray diffraction, the magnetic properties of the sets of samples were investigated using experimental magnetization curve, obtained using a vibrating sample magnetometer, as well as through theoretical curves obtained by theoretical modeling and numerical computation. The modeling process is based on the Stoner Wohlfarth model applied to three dimensions, and adds some energy terms, using as reference experimental results of magnetization. In this case, from the comparison between theoretical and experimental results and the analysis of the constant anisotropy behavior as a function of film thickness, we aim to obtain further information on the magnetization process of the samples, to identify routes for the production of thin films and develop a theoretical to films to use it, in the future, in the obtainment of the theoretical curves of some magnetic measurements, such as magnetoimpedance and magnetoresistance / Dentre os temas que despertam interesse da comunidade cient?fica atualmente est? o entendimento das propriedades magn?ticas de sistemas magn?ticos com dimens?es reduzidas, em particular, filmes finos ferromagn?ticos. Neste caso, a compreens?o e o controle destas propriedades, bem como o desenvolvimento de rotas para sua obten??o, s?o temas cruciais em muitos aspectos das tecnologias atuais e futuras de armazenagem e transmiss?o da informa??o na ind?stria eletro-eletr?nica. Dos materiais que exibem propriedades magn?ticas macias, destacam-se as ligas amorfas e as ligas obtidas por cristaliza??o parcial das mesmas, os chamados materiais nanocristalinos. A produ??o destas ligas na forma de fitas magn?ticas tem sido muito comum no meio tecnol?gico e cient?fico, por?m s?o escassas as produ??es de filmes finos desta liga. Neste trabalho, realizamos um estudo das propriedades magn?ticas quase-est?ticas de filmes ferromagn?ticos ? base de FeCuNbSiB, em uma vasta faixa de espessuras, de 20 a 500 nm, produzidos pela t?cnica de sputtering. Em particular, ap?s caracteriza??o estrutural, realizada via difratometria de raios-X, as propriedades magn?ticas dos conjuntos de amostras foram investigadas atrav?s de curvas de magnetiza??o experimentais, obtidas utilizando-se um magnet?metro de amostra vibrante, bem como atrav?s de curvas te?ricas obtidas atrav?s de modelagem e computa??o num?rica. O processo de modelagem toma como base o modelo Stoner-Wohlfarth aplicado para tr?s dimens?es, e acrescenta os alguns outros termos de energia, tomando como refer?ncia os resultados experimentais para magnetiza??o. Neste caso, a partir da compara??o dos resultados te?ricos e experimentais e da an?lise do comportamento das constantes de anisotropia em fun??o da espessura dos filmes, busca-se obter informa??es sobre o processo de magnetiza??o das amostras, identificar rotas para a produ??o de filmes finos e desenvolver uma abordagem te?rica para filmes com o intuito de, no futuro, utiliz?-la para a obten??o de curvas te?ricas de outras medidas magn?ticas, tais como magnetoimped?ncia e magnetoresist?ncia

In der vorliegenden Arbeit wurden die mikromagnetische Struktur sowie das Ummagnetisierungsverhalten epitaktisch gewachsener MnAs Filme auf dem Substrat GaAs untersucht. Im Mittelpunkt steht die mikromagnetischen Struktur von anisotrop erspannten MnAs Filmen auf GaAs(001). Die Verspannung führt zur selbstorganisierten Anordnung ferromagnetischer Streifen. Ihre Domänenstruktur wurde mittels MFM (magnetischer Kraftmikroskopie) bestimmt und mit den Resultaten der XMCDPEEM (X-ray magnetic circular dichroism photoemission electron microscopy) verglichen. Um eine vollständige Charakterisierung der mikromagnetischen Eigenschaften der Streifenstruktur zu erreichen, wurden die MFM Experimente in einem äusseren Magnetfeld durchgeführt. Die Beantwortung der zentralen Frage nach der Domänenstruktur ist mit der Entwicklung eines mikromagnetischen Simulators für dreidimensionale magnetische Strukturen auf mesoskopischer Skala gelungen. Die Stabilität der dreidimensionalen mikromagnetischen Struktur hängt von den Eigenschaften der selbstorganisierten Streifenstruktur ab, d.h. sowohl von der Filmdicke als auch vom Verhältnis ihrer Breite zur Filmdicke - und damit der Temperatur. Durch die Erkenntnis, dass eine magnetische Struktur in der Tiefe des Streifens vorhanden ist, können die verbleibenden Unterschiede in den XMCDPEEM- und MFM-Resultaten erklärt werden. Durch die Simulationsergebnisse in Kombination mit den Experimenten wird eine widerspruchsfreie Deutung der mikromagnetischen Struktur sowie deren Ummagnetisierungsverhalten ermöglicht. Zudem wird die mikromagnetische Struktur von MnAs auf GaAs(111) simuliert und damit das Verständnis der mikromagnetischen Strukturen auf alle vorhandenen Substratorientierungen vervollständigt. / In the present thesis the micromagnetic structure, as well as the magnetization reversal, of epitaxial MnAs films on GaAs substrates are studied. The investigation is focused on the micromagnetic structure of anisotropically strained MnAs films on GaAs(001). The strain originates a selforganized array of ferromagnetic stripes. The magnetic domains were investigated using MFM (magnetic force microscopy) and the results were compared with XMCDPEEM (X-ray magnetic circular dichroism photoemission electron microscopy). To completely characterize the micromagnetic properties of the stripe structure, MFM experiments were performed in the presence of an external field. To unambiguously determine the domain structure a three-dimensional micromagnetic simulator was developed capable to calculate magnetic structures with mesoscopic dimensions. The stability of the three-dimensional micromagnetic structure depends on the properties of the selforganized stripe structure, i.e., on the film thickness as well as on the ratio of the stipe width to thickness - and thus the temperature. Taking into account the magnetization distribution in-depth, the remaining differences between the XMCDPEEM and the MFM results can be explained by the disturbing effect of the MFM tip. The results of the micromagnetic simulations, in combination with the experimental results, allow for a determination of the micromagnetic structure in an applied field throughout the phase coexistence regime. Moreover, the micromagnetic structure of MnAs films on GaAs(111) is simulated and thus the understanding of the micromagnetic properties have been extended on all substrate orientations.

In der vorliegenden Arbeit wird der Einfluß der reduzierten Translationssymmetrie auf die magnetischen Eigenschaften in dünnen Filmen und an Oberflächen auf der Basis des stark korrelierten Hubbard-Modells untersucht. Zunächst wird die Möglichkeit von spontanem Ferromagnetismus im Hubbard-Modell für translationssymmetrische Systeme diskutiert.Verschiedene Näherungsmethoden zur Lösung des Vielteilchenproblems des Hubbard-Modells werden detailliert beschrieben und mit Ergeb nissen von Quanten-Monte-Carlo-Rechnungen verglichen. Die Konsistenz mit exakten Resultaten über die grobe Struktur der Ein-Teilchen-Spektraldichte im Limes starker Coulomb- Wechselwirkung zwischen den Elektronen erweist sich als essentiell wichtig für eine qualitativ korrekte Beschreibung von spontanem Ferromagnetismus. Das Temperaturverhalten in der ferromagnetischen Phase wird anhand von Magnetisierungs kurven sowie mit Hilfe des spinabhängigen Quasiteilchenspekt rums ausführlich diskutiert. Ein genaues Verständnis der Physik des Volumensystems liefert die Basis für den Übergang zu Systemen mit reduzierter Translationssymmetrie. Es wird eine Methode vorgestellt mit der sich approximative Theorien für das translationssymmetrische Hubbard-Modell auf die Behandlung von Filmsystemen verallgemeinern lassen. Die magnetischen Eigenschaften dünner Hubbard-Filme werden mit Hilfe der lagenabhängigen Magnetisierung als Funktion der Temperatur sowie der Filmdicke diskutiert. Die Abhängigkeit der Curie-Temperatur von der Filmdicke wird untersucht. Insbesondere wird auf die Frage nach der magnetischen Stabilität an der Oberfläche eingegangen. In stark korrelierten Elektronensystemen ist für endliche Temperaturen die magnetische Stabilität an der Oberfläche reduziert im Vergleich zu den inneren Lagen, obwohl auf der Basis des bekannten Stoner-Bildes für Bandmagnetismus genau der gegenteilige Trend zu erwarten wäre. Es wird gezeigt,daß sich dieses Verhalten anhand einfacher Argumente versteh en läßt. Die magnetischen Eigenschaften der Hubbard-Filme lassen sich im Detail mit Hilfe der lokalen Quasiteilchenzus tandsdichte sowie der wellenvektorabhängigen Spektraldichte analysieren. Die elektronische Struktur zeigt eine ausgeprägte Spin-, Lagen- und Temperaturabhängigkeit. In einem weiteren Teil der Arbeit wird der temperaturgetrieb ene Reorientierungsübergang der Magnetisierungsrichtung in dünnen metallischen Filmen untersucht. Dazu müssen die die Hubbard-Filme um anisotrope Beiträge der Dipol-Wechselwir kung und der Spin-Bahn-Wechsel wirkung erweitert werden. Das Wechselspiel von Dipol- und Spin-Bahn-Anisotropie führt unter gewissen Bedingungen zu einem Reorientierungsübergang als Funktion der Temperatur. Im Rahmen des hier vorgestellten Zugangs lassen sich sowohl Reorientierungsüber gänge von einer senkrechten in eine parallele Position ("Fe-artig") als auch Reorientierungsübergänge von einer parallelen in eine senkrechte Position ("Ni-artig") der Magnetisierung qualitativ korrekt beschreiben. / In this work the influence of the reduced translational symmetry on the magnetic properties of thin itinerant-electr on films and surfaces is investigated within the strongly correlated Hubbard model. Firstly, the possibility of spontaneous ferromagnetism in the Hubbard model is discussed for the case of systems with full translational symmetry. Different approximation schemes for the solution of the many -body problem of the Hubbard model are introduced and discussed in detail. It is found that it is vital for a reasonable description of spontaneous ferromagnetism to be consistent with exact results concerning the general shape of the single-electron spectral density in the limit of strong Coulomb interaction between the electrons. The temperature dependence of the ferromagnetic solutions is discussed in detail by use of the magnetization curves as well as the spin-dependent quasiparticle spectrum. For the investigation of thin films and surfaces the approximation schemes for the bulk system have to be generalized to deal with the reduced translational symmetry. The magnetic behavior of thin Hubbard films is investigated by use of the layer-dependent magnetization as a function of temperature as well as the thickness of the film. The Curie-temperature is calculated as a function of the film thickness. Further, the magnetic stability at the surface is discussed in detail. Here it is found that for strong Coulomb interaction the magnetic stability at finite temperatures is reduced at the surface compared to the inner layers. This observation clearly contradicts the well-known Stoner picture of bandmagnetism and can be explained in terms of general arguments which are based on exact results in the limit of strong Coulomb interaction. The magnetic behavior of the Hubbard films can be analyzed in detail by inspecting the local quasiparticle density of states as well as the wave vector dependent spectral density. The electronic structure is found to be strongly spin-, layer-, and temperature- dependent. The last part of this work is concerned about the temperature-driven reorientation transition in thin metallic films. For the description of the magnetic anisotropy in thin films the dipole interaction as well as the spin-orbit interaction have to be included in the model. By calculating the temperature-dependence of the magnetic anisotropy energy it is found that both types of temperature-driven reorientation transitions, from out-of-plane to in-plane ("Fe-type") and from in-plane to out-of-plane ("Ni-type") magnetization are possible within the generalized Hubbard films.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Untersuchung der mikromagnetischen Domänenstruktur und des gekoppelten magneto-strukturellen Phasenübergangs dünner epitaktischer MnAs-Filme auf GaAs. Im Besonderen wird der Einfluss der Substratorientierung, der Filmdicke und eines externen magnetischen Feldes auf die magnetischen und strukturellen Eigenschaften untersucht. Dabei kommen die komplementären Untersuchungsmethoden AFM (atomic force microscopy) / MFM (magnetic force microscopy) und LEEM (low energy electron microscopy) / XMCDPEEM (X-ray magnetic circular dichroism photoemission electron microscopy) zum Einsatz. Im Zuge des Phasenübergangs erster Ordnung zeigen MnAs Filme auf GaAs (001) und (311)A eine regelmäßige Anordnung ferromagnetischer alpha-MnAs und paramagnetischer beta-MnAs Streifen. Die Breite der Streifen ist eine Funktion der Temperatur, während die Periodizität eine lineare Funktion der Filmdicke ist. Die Domänenstruktur hängt stark von der Breite bzw. dem Abstand der ferromagnetischen Streifen ab, da diese direkt die Formanisotropie bzw. die magnetische Kopplung beeinflussen. Die Domänenstrukturen wird, abhängig von der Zahl der Subdomänen entlang der leichten Magnetisierungsrichtung, klassifiziert, wobei bis zu drei elementare Domänentypen beobachtet werden. Bei MnAs-Filmen die auf der GaAs (111)B Oberfläche gewachsen wurden, führt die Epitaxie zu einem geänderten Spannungszustands des Films, wobei eine erhöhte Phasenübergangstemperatur beobachtet wird. Durch temperaturabhängige XMCDPEEM-, AFM- und MFM-Messungen kann gezeigt werden, daß durch den lokalen Abbau der Verspannung in der Nähe eines Risses die Phasenübergangstemperatur lokal erhöht ist. Um Ummagnetisierungsprozesse auf einer mikroskopischen Skala untersuchen zu können und um den Einfluß eines magnetischen Feldes auf die Domänenstruktur sichtbar zu machen, wurde das temperaturvariable Rastersondenmikroskop um einen variablen Magnetfeldaufbau ergänzt. / This work presents the study of the micromagnetic domain structure and the coupled magneto-structural phase transition of epitaxial MnAs thin films on GaAs. In particular, the influence of substrate orientation, film thickness and external magnetic field on the magnetic and structural properties are investigated, employing the complementary measurement techniques atomic force microscopy (AFM) / magnetic force microscopy (MFM) and low energy electron microscopy (LEEM) / X-ray magnetic circular dichroism photoemission electron microscopy (XMCDPEEM. In the course of the first-order phase transition MnAs films on GaAs (001) and (311)A substrates show a regular array of ferromagnetic alpha- and paramagnetic beta-MnAs stripes. The width of the ferromagnetic stripes are a function of the temperature, whereas the periodicity of the stripe pattern is a function of the film thickness. The domain structure strongly depends on the width and the distance of the ferromagnetic stripes, as it directly affects the shape anisotropy and magnetic coupling, respectively. The domain patterns are classified depending on the number of subdomains along the easy axis direction. Up to three basic domain types can be distinguished. For MnAs films grown on GaAs (111)B, the epitaxy leads to a different strain state of the film, resulting in polygonal ferromagnetic structures embedded in a honeycomb-like paramagnetic network, and a higher phase transition temperature. Using temperature-dependent AFM, MFM and XMCDPEEM it is shown that the local strain relaxation in the vicinity of cracks in the MnAs film results in a locally increased phase transition temperature. In order to study magnetization reversal processes on a microscopic scale, as well as the influence of the magnetic field on the domain structure, a variable-magnetic field set-up is employed.

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