Nutzbare Energie ist ein knappes Gut. Aus ökonomischen und ökologischen Gründen wird die effiziente und nachhaltige Nutzung der verfügbaren Energie angestrebt. Wird Energie in elektrischer Form bereitgestellt oder transportiert, kommt der Minimierung der Verluste an elektrotechnischen Anlagen oder Bauelementen eine grundlegende Bedeutung zu. So werden beispielsweise Transformatorenkomponenten und Verstärkerelemente aus weichmagnetischen Werkstoffen mit geringem Ummagnetisierungsverlust gefertigt. In dieser Arbeit wird der Zusammenhang zwischen der magnetischen Mikrostruktur und dem magnetischen Ummagnetisierungsverlust nanokristalliner Ringbandkerne untersucht. Der Einfluss von Stärke und Lage einer induzierten Anisotropie wird anhand induktiver Hysteresemessung und simultaner Beobachtung magnetischer Domänen mit stroboskopischer Kerrmikroskopie charakterisiert.

In dieser Doktorarbeit wird die Magnetisierungsdynamik von strukturierten, weichmagnetischen Einzelschichten aus Permalloy (Ni81Fe19) mittels stroboskopischer Kerrmikroskopie untersucht. Die Dicke der in unterschiedliche Formen (Kreise, Quadrate und Rechtecke) strukturierten magnetischen Schicht beträgt 50 nm bzw. 160 nm. Durch die Verwendung eines gepulsten Lasers als Beleuchtungsquelle wird eine Zeitauflösung erreicht, die unter 25 ps liegt. Parallel zu den Laserpulsen wird die Probe mit gepulsten Magnetfeldern angeregt und die Reaktion der Magnetisierung auf diese schnellen Magnetfeldänderungen wird untersucht. Diese Reaktion der Magnetisierung unterscheidet sich deutlich von einer Anregung mit quasistatischen Magnetfeldern. Durch die stroboskopische Beobachtungsweise sind nur reversible Prozesse sichtbar, irreversible Prozesse werden durch die Mittelung über mehrere Millionen Anregungs- und Beobachtungspulse nicht abgebildet. Dies wird bei der Anregung eines Vortex in einer Kreisscheibe deutlich, bei dem die Magnetisierungsrichtung im Vortexkern durch das gepulste Magnetfeld teilweise geschaltet wird. Dadurch ändert sich der Drehsinn der spiralförmigen Relaxationsbewegung des Vortex, was zu einer Überlagerung der beiden Bewegungen während der Beobachtung führt. Desweiteren wird eine Vervielfältigung von Vortex-Antivortex Paaren in Stachelwänden durch hochfrequente Felder gezeigt. Diese Vervielfältigung führt zur Erzeugung eines neuen, metastabilen Zustandes mit geringerem Stachelabstand. Mit steigender Frequenz des Feldes fällt der Stachelabstand bis auf 30 % des Ausgangswertes. Ab einer Grenzfrequenz, die durch die ferromagnetische Resonanz gegeben ist, kann die Magnetisierung dem Feld nicht mehr folgen und die Wandstruktur ist vergleichbar mit der im quasistatischen Grenzfall. Auch in dickeren Elementen wird diese Erzeugung beobachtet, wo sie zu einer irreversiblen Wandtransformation von der asymmetrischen Blochwand zur Stachelwand führt. Bei der Pulsanregung eines Landau-Domänenzustandes in einem Quadrat kommt es zur Bildung von sichelartigen Domänen an den Ecken des Quadrates. Die Entstehung dieser Domänen geschieht relativ schnell innerhalb einer Nanosekunde. Während der Relaxation der Magnetisierung lösen sich diese neu entstandenen Domänen durch Wandverschiebung wieder auf. Die Auflösung der Domänen geschieht deutlich langsamer als die Entstehung, was durch die unterschiedlichen Mechanismen, die bei der Entstehung (Magnetisierungsdrehung) und Auflösung (Wandverschiebung) der Domänen involviert sind, begründet werden kann. Außerdem kommt es zu einer inkohärenten Drehung der Magnetisierung in der Domäne mit antiparalleler Ausrichtung der Magnetisierung bezüglich des Pulsfeldes. Diese Drehung der Magnetisierung, lateral abwechselnd nach links und rechts, wird durch eine leichte Abweichung der Magnetisierung von einer perfekt homogenen Ausrichtung begünstigt.

Abschlussdomänenstrukturen in strukturierten weichmagnetischen dünnen Schichten wurden systematisch hinsichtlich ihrer Domänenweite, Domänenmagnetisierungsrichtung, Domänenwandtypen und Wandlängen modifiziert. Somit konnte ein umfassendes Verständnis über die Beeinflussungsmöglichkeiten des dynamischen Magnetisierungsverhaltens von Abschlussdomänenkonfigurationen im GHz-Bereich erarbeitet werden. Ein bekanntes Modell zur Berechnung der akustischen Domänenresonanzfrequenz von 180° -Domänenkonfigurationen wurde unter Berücksichtigung von Abschlussdomänen und endlichen effektiven Domänenwandweiten erfolgreich erweitert. Damit ist eine präzise Vorhersage des dynamischen Verhaltens von 180° - Abschlussdomänenstrukturen möglich. Außerdem wurde aufgezeigt, dass über die Messung der ferromagnetischen Resonanz Domänenwandumwandlungen im Magnetfeld detektiert werden können. Für Strukturen mit angepasster Anisotropie wurde unabhängig von der Anisotropiestärke eine konstante akustische Resonanzfrequenz beobachtet. Dieser unerwartete Zusammenhang wird auf die kompensatorischeWirkung von Abschlussdomänenstrukturen zurückgeführt. Abschließend wird gezeigt, dass für sogenannte Bucklingdomänenstrukturen eine signifikant größere Beeinflussung der ferromagnetischen Resonanzfrequenz durch vergleichsweise kleine statische Magnetfelder erzielt werden kann, als dies bei homogen magnetisierten Strukturen und Schichten der Fall ist. Die vorgestellten Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass über eine Einstellung der ferromagnetischen Domänenstruktur das dynamische Verhalten weichmagnetischer strukturierter Schichten über einen vergleichsweise breiten Frequenzbereich hinweg gezielt modifiziert werden kann.

Abschlussdomänenstrukturen in strukturierten weichmagnetischen dünnen Schichten wurden systematisch hinsichtlich ihrer Domänenweite, Domänenmagnetisierungsrichtung, Domänenwandtypen und Wandlängen modifiziert. Somit konnte ein umfassendes Verständnis über die Beeinflussungsmöglichkeiten des dynamischen Magnetisierungsverhaltens von Abschlussdomänenkonfigurationen im GHz-Bereich erarbeitet werden. Ein bekanntes Modell zur Berechnung der akustischen Domänenresonanzfrequenz von 180° -Domänenkonfigurationen wurde unter Berücksichtigung von Abschlussdomänen und endlichen effektiven Domänenwandweiten erfolgreich erweitert. Damit ist eine präzise Vorhersage des dynamischen Verhaltens von 180° - Abschlussdomänenstrukturen möglich. Außerdem wurde aufgezeigt, dass über die Messung der ferromagnetischen Resonanz Domänenwandumwandlungen im Magnetfeld detektiert werden können. Für Strukturen mit angepasster Anisotropie wurde unabhängig von der Anisotropiestärke eine konstante akustische Resonanzfrequenz beobachtet. Dieser unerwartete Zusammenhang wird auf die kompensatorischeWirkung von Abschlussdomänenstrukturen zurückgeführt. Abschließend wird gezeigt, dass für sogenannte Bucklingdomänenstrukturen eine signifikant größere Beeinflussung der ferromagnetischen Resonanzfrequenz durch vergleichsweise kleine statische Magnetfelder erzielt werden kann, als dies bei homogen magnetisierten Strukturen und Schichten der Fall ist. Die vorgestellten Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass über eine Einstellung der ferromagnetischen Domänenstruktur das dynamische Verhalten weichmagnetischer strukturierter Schichten über einen vergleichsweise breiten Frequenzbereich hinweg gezielt modifiziert werden kann.:1. Einleitung 2. Grundlagen 2.1. Magnetische Energieterme 2.1.1. Austauschenergie 2.1.2. Zeeman-Energie 2.1.3. Magnetostatische Energie 2.1.4. Anisotropie 2.2. Magnetische Mikrostrukturen 2.2.1. Domänenwände 2.3. Magnetisierungsdynamik 2.3.1. Magnetodynamik gesättigter strukturierter Schichten 2.3.2. Magnetodynamik ungesättigter magnetischer Strukturen 3. Experimentelles 3.1. Magnetooptische Domänenbeobachtung 3.2. Magnetische Rasterkraftmikroskopie 3.3. Hysteresemessung 3.4. Dynamische Charakterisierung 3.4.1. Gepulste Mikrowellen-Magnetometrie 3.4.2. Messung der ferromagnetischen Resonanz mit dem Vektor-Netzwerkanalysator 3.5. Mikromagnetische Simulationen 4. Eigenschaften ausgedehnter Referenzschichten 5. Magnetisierungsdynamik modifizierter 180-Grad-Domänenstrukturen 5.1. Erzeugung magnetischer Mikrostrukturen unterschiedlicher Domänenweite 5.2. Magnetisierungsdynamik modifizierter 180°-Grad-Domänenstrukturen im Nullfeld 5.2.1. Effekt der Abschlussdomänen 5.2.2. Effekt kleiner Domänenwandweiten 5.3. Domänenresonanz im magnetischen Feld 5.3.1. Transversales Magnetfeld 5.3.2. Longitudinales Magnetfeld 6. Dynamischer Kompensationseffekt magnetischer Domänen in strukturierten Schichten 7. Magnetisierungsdynamik von Bucklingdomänenstrukturen 7.1. Statisches Magnetisierungsverhalten linsenförmiger Elemente 7.2. Magnetisierungsdynamik linsenförmiger Elemente 7.2.1. Mikromagnetische Simulation der Bucklingstruktur 7.2.2. Diskussion der Magnetisierungsdynamik der Bucklingstruktur 8. Zusammenfassung und Ausblick A. Magnetometrische Entmagnetisierungsfaktoren nach Aharoni B. Ballistische Entmagnetisierungsfaktoren nach Aharoni C. Herleitung der akustischen Domänenresonanzfrequenz im transversalen Feld

Im Rahmen der Dissertation wurde das Phänomen der Wechselwirkungsdomänen sowohl experimentell als auch unter Zuhilfenahme mikromagnetischer Simulationen untersucht. Gegenstand der Untersuchungen waren einphasige NdFeB-Magnete, die durch Heißpressen und anschließender Warmumformung hergestellt wurden. Zusätzlich wurden über den gleichen Herstellungsweg Kompositproben aus NdFeB und Fe mit unterschiedlichen Partikelausgangsgrößen erhalten und studiert. Korrelationsuntersuchungen verschiedener Messmethoden haben gezeigt, dass im thermisch entmagnetisierten Zustand die Grenzen der Wechselwirkungsdomänen an der Oberfläche größtenteils entlang von Korngrenzen verlaufen. Mittels in-situ MFM wurden erstmalig Untersuchungen von Wechselwirkungsdomänen an massiven NdFeB-Magneten im Magnetfeld durchgeführt. Die Ummagnetisierung erfolgt dabei über die Bewegung der Domänengrenze durch schrittweises Wandern von einer Korngrenze zur benachbarten. Die Beweglichkeit der Domänengrenzen ist durch das Haften an den Korngrenzen gehemmt, was sich in der geringeren Suszeptibilität der warmumgeformten Magnete im Vergleich zu Sintermagneten bemerkbar macht. Aufgrund der eingestellten Mikrostruktur in den warmumgeformten Magneten kann folglich gesagt werden, dass die Ummagnetisierungsprozesse sowohl Merkmale von klassischen Nukleations-, als auch von klassischen Pinningmagneten aufweisen. Mit Hilfe von mikromagnetischen Simulationen konnte eine Eindomänenteilchengröße prismatischer Partikel mit quadratischer Grundfläche ermittelt werden. Außerdem konnte gezeigt werden, dass der Winkel des Streufeldvektors eine entscheidende Rolle bei Ummagnetisiserungsprozessen in solchen Partikeln spielt. Die Superposition des Streufeldvektors mit dem Vektor des angelegten Feldes führt zu einem Gesamtfeldvektor, dessen Winkelabhängigkeit ein Stoner-Wohlfarth ähnliches Verhalten zeigt.

Durch die laterale Modifizierung der magnetischen Eigenschaften von austauschgekoppelten NiFe/IrMn-Schichten wurden weichmagnetische Schichten geschaffen, die sowohl neue statische als auch dynamische hybride Eigenschaften zeigen. Als laterale Strukturierungsmethoden wurden hierbei die lokale Oxidation sowie Ionenimplantation verwendet. Mit Hilfe dieser Verfahren ist es gelungen spezifische magnetische Domänenkonfigurationen mit Streifenstrukturen nominell antiparalleler Magnetisierungsausrichtung in die Schichten einzuprägen. In Abhängigkeit der Strukturorientierung sowie Streifenperiode konnte direkt das Ummagnetisierungsverhalten sowie die magnetische Resonanzfrequenz und Dämpfung der Schichten modifiziert werden. Die neuen dynamischen Eigenschaften wie z.B. eine hybride Resonanzfrequenz werden hierbei im Rahmen der Kopplung über dynamische Ladungen und die direkte Beeinflussung des effektiven Feldes des künstlich eingebrachten Domänenzustandes diskutiert. Die vorgestellten Ergebnisse belegen somit das große Potential der lateralen Magneto-Strukturierung zur Einstellung spezifischer statischer wie auch dynamischer Eigenschaften magnetisch dünner Schichten.

Durch die laterale Modifizierung der magnetischen Eigenschaften von austauschgekoppelten NiFe/IrMn-Schichten wurden weichmagnetische Schichten geschaffen, die sowohl neue statische als auch dynamische hybride Eigenschaften zeigen. Als laterale Strukturierungsmethoden wurden hierbei die lokale Oxidation sowie Ionenimplantation verwendet. Mit Hilfe dieser Verfahren ist es gelungen spezifische magnetische Domänenkonfigurationen mit Streifenstrukturen nominell antiparalleler Magnetisierungsausrichtung in die Schichten einzuprägen. In Abhängigkeit der Strukturorientierung sowie Streifenperiode konnte direkt das Ummagnetisierungsverhalten sowie die magnetische Resonanzfrequenz und Dämpfung der Schichten modifiziert werden. Die neuen dynamischen Eigenschaften wie z.B. eine hybride Resonanzfrequenz werden hierbei im Rahmen der Kopplung über dynamische Ladungen und die direkte Beeinflussung des effektiven Feldes des künstlich eingebrachten Domänenzustandes diskutiert. Die vorgestellten Ergebnisse belegen somit das große Potential der lateralen Magneto-Strukturierung zur Einstellung spezifischer statischer wie auch dynamischer Eigenschaften magnetisch dünner Schichten.