abstract: The research of this dissertation has involved the nanoscale quantitative characterization of patterned magnetic nanostructures and devices using off-axis electron holography and Lorentz microscopy. The investigation focused on different materials of interest, including monolayer Co nanorings, multilayer Co/Cu/Py (Permalloy, Ni81Fe19) spin-valve nanorings, and notched Py nanowires, which were fabricated via a standard electron-beam lithography (EBL) and lift-off process. Magnetization configurations and reversal processes of Co nanorings, with and without slots, were observed. Vortex-controlled switching behavior with stepped hysteresis loops was identified, with clearly defined onion states, vortex states, flux-closure (FC) states, and Omega states. Two distinct switching mechanisms for the slotted nanorings, depending on applied field directions relative to the slot orientations, were attributed to the vortex chirality and shape anisotropy. Micromagnetic simulations were in good agreement with electron holography observations of the Co nanorings, also confirming the switching field of 700-800 Oe. Co/Cu/Py spin-valve slotted nanorings exhibited different remanent states and switching behavior as a function of the different directions of the applied field relative to the slots. At remanent state, the magnetizations of Co and Py layers were preferentially aligned in antiparallel coupled configuration, with predominant configurations in FC or onion states. Two-step and three-step hysteresis loops were quantitatively determined for nanorings with slots perpendicular, or parallel to the applied field direction, respectively, due to the intrinsic coercivity difference and interlayer magnetic coupling between Co and Py layers. The field to reverse both layers was on the order of ~800 Oe. Domain-wall (DW) motion within Py nanowires (NWs) driven by an in situ magnetic field was visualized and quantified. Different aspects of DW behavior, including nucleation, injection, pinning, depinning, relaxation, and annihilation, occurred depending on applied field strength. A unique asymmetrical DW pinning behavior was recognized, depending on DW chirality relative to the sense of rotation around the notch. The transverse DWs relaxed into vortex DWs, followed by annihilation in a reversed field, which was in agreement with micromagnetic simulations. Overall, the success of these studies demonstrated the capability of off-axis electron holography to provide valuable insights for understanding magnetic behavior on the nanoscale. / Dissertation/Thesis / Ph.D. Materials Science and Engineering 2010

Lorentz TEM observations of magnetic nanoparticles contain information on the magnetic and electrostatic potentials of the sample. These potentials can be extracted from the electron wave phase shift by separating electrostatic and magnetic phase shifts, followed by 3D tomographic reconstructions. In past, Vector Field Electron Tomography (VFET) was utilized to perform the reconstruction. However, VFET is based on a conventional tomography method called filtered back-projection (FBP). Consequently, the VFET approach tends to produce inconsistencies that are prominent along the edges of the sample. We propose a model-based iterative reconstruction (MBIR) approach to improve the reconstruction of magnetic vector potential, A(r). In the case of scalar tomography, the MBIR method is known to yield better reconstructions than the conventional FBP approach, due to the fact that MBIR can incorporate prior knowledge about the system to be reconstructed. For the same reason, we seek to use the MBIR approach to optimize vector field tomographic reconstructions via incorporation of prior knowledge. We combine a forward model for image formation in TEM experiments with a prior model to formulate the tomographic problem as a maximum a posteriori probability estimation problem (MAP). The MAP cost function is minimized iteratively to deduce the vector potential. A detailed study of reconstructions from simulated as well as experimental data sets is provided to establish the superiority of the MBIR approach over the VFET approach.

No description available.

Magnetické materiály a z nich vyrobené nanostruktury jsou v průběhu posledních let studovány pro jejich aplikace v např. záznamových médiích a logických obvodech. Tato práce navazuje na náš předchozí výzkum tohoto oboru s hlavním zaměřením na statické a dynamické vlastnosti nanostrukturovaných magnetických materiálů, jako například NiFe, CoFeB a YIG. Práce začíná teoretickým úvodem s popisem mikromagnetických systémů, dynamiky magnetických vortexů, feromagnetické rezonance (FMR) a spinových vln včetně jejich disperzních vlastností. Následuje popis použitých experimentálních metod a první experimentální část zabývající se nukleačním procesem magnetického vortexu, jinými slovy procesem transformace ze saturovaného stavu do spinové konfigurace magnetického vortexu v průběhu snižování magnetického pole. Jsou použity mikroskopické metody zobrazující magnetickou strukturu materiálu, jmenovitě Lorentzova transmisní elektronová mikroskopie a rentgenová transmisní mikroskopie. Výsledky jsou poté korelovány s měřením elektrické odezvy pomocí jevu anizotropní magnetorezistence. Výhodou elektrických měření je, že plně elektrická detekce dovoluje použití tohoto systému v uzavřených systémech integrovaných obvodů. Výsledky oblasti nukleací magnetických vortexů ukazují, že při tomto procesu prochází magnetizace v nano- a mikrometrových magnetických discích několika fázemi s růsnými typy spinových konfigurací nazvaných nukleační stavy. Dále je představeno měření magnetických materiálů pomocí vektorového síťového analyzátoru (VNA), což je aplikováno na měření resonance magnetických vortexů (určení gyrotropické frekvence a měření vysokofrekvenčních módů), feromagnetické rezonance tenkých vrstev (získání základních magnetických materiálových parametrů) a spektroskopii spinových vln. Právě spektroskopie spinových vlna je rozvinuta za účelem měření disperzních relací tenkých magnetických vrstev, což je základní charakteristika, jejíž znalost je důležitá v návrhu aplikací. Nakonec je představeno anténní zařízení, díky kterému lze oddělit magnetické buzení od vzorku samotného bez nutnosti absolvovat proces elektronové litorafie, což je zapotřebí v klasickém přístupu antény na vzorku a kontaktování vysokofrekvenční sondou. Toto zařízení se skládá ze skleněného kantilívru, na kterém je vyrobena budící anténa, konektoru a spojovacího prvku v podobě plošného spoje. Celé zařízení je díky umístění na x-y-z stolek s náklonem pozicovatelné a lze tedy měřit v jakémkoliv místě vzorku. Umístění antény na sklo umožňuje navigaci pomocí mikroskopu a optické měření, např. metodou Brillouinova světelného rozptylu (BLS) nebo Kerrova jevu.

科学研究費補助金 研究種目:基盤研究(B)(2) 課題番号:08455142 研究代表者:丹司 敬義 研究期間:1996-1997年度

No description available.