Even though the unique magnetic behavior for ferromagnets has been known for thousands of years, explaining this interesting phenomenon only occurred in the 20th century. It was in 1920, with the discovery of electron spin, that a clear explanation of how ferromagnets achieve their unique magnetic properties came to light. The electron carries an intrinsic electric charge and intrinsic angular momentum. Use of this property in a device was achieved in 1998 when Fert and Gru¨nberg independently found that the resistance of FM/NM/FM trilayer depended on the angle between the magnetization of the two layers. This phenomena which is called giant magnetoresistance (GMR) brought spin transfer into mainstream. This new discovery created a brand new research fi called “spintronics” or “spin based electronics” which exploits the intrinsic spin of electron. As expected spintronics delivered a new generation of magnetic devices which are currently used in magnetic disk drives and magnetic random access memories (MRAM). The potential advantages of spintronics devices are non-volatility, higher speed, increased data density and low power consumption. GMR devices are already used in industry as magnetic memories and read heads. The quality of GMR devices can be increased by developing new magnetic materials and also by going down to nanoscale. The desired characteristic properties of these new materials are higher spin polarization, higher curie temperature and better spin filtering. Half-metals are a good candidate for these devices since they are expected to have high polarization. Some examples of half-metals are Half-Heusler alloy, full Heusler alloy and Perovskite or double Perovskite oxides. The devices discussed in this thesis have NiMnSb half-Heusler alloy and permalloy as the ferromagnetic layers separated by Cu as the nonmagnetic layer. This dissertation includes mainly two parts, fabrication and characterization of nan- opillars. The layer stack used for the fabrication is Ru/Py/Cu/NiMnSb which is grown on an InP substrate with an (In,Ga)As buff by molecule beam epitaxy (MBE). A new method of fabrication using metal mask which has a higher yield of working samples over the previous method (using the resist mask) used in our group is discussed in detail. Also, the advantages of this new method and draw backs of the old method are explained thoroughly (in chapter 3). The second part (chapters 4 and 5) is focused on electrical measurements and charac- terization of the nanopillar, specially with regard to GMR and spin-transfer torque (STT) measurements. In chapter 4, the results of current perpendicular the plane giant mag- netoresistance (CPP-GMR) measurements at various temperatures and in-plane magnetic fi are presented. The dependence of CPP-GMR on bias current and shape anisotropy of the device are investigated. Results of these measurements show that the device has strong shape anisotropy. The following chapter deals with spin-transfer torque induced magnetic switching measurements done on the device. Critical current densities are on the order of 106 A/cm2, which is one order of magnitude smaller than the current industry standards. Our results show that the two possible magnetic configurations of the nanopillar (parallel and anti-parallel) have a strong dependence on the applied in-plane magnetic fi Fi- nally, four magnetic fi regimes based on the stability of the magnetic configuration (P stable, AP stable, both P and AP stable, both P and AP unstable) are identified. / Obwohl das einzigartige ferromagnetische Verhalten seit Tausenden Jahren bekannt ist, traten Erklärungen zu diesem interessanten Phänomen erst im 20. Jahrhundert auf. Erst im Jahr 1920, mit der Entdeckung des Elekronenspin, gab es eine Vorstellung davon, wie die Ferromagnetika ihre einzigartigen magnetischen Eigenschaften erhalten. Die Elektronen sind sowohl Träger einer intrinsischen Ladung als auch eines intrinsichen Drehimpulses. Die Nutzung dieser Eigenschaften in Bauteilen wurde 1998 erreicht, als Fert und Grünberg unabhängig voneinander die Entdeckung machten, dass der Widerstand eines Dreischichtsystems bestehend aus FM/NM/FM abha¨ngig vom Winkel der Magnetisierung in den zwei ferromagnetischen Schichten ist. Dieses Phänomen, welches als Riesenmagnetwiderstand (GMR, Giant Magnetoresistance) bekannt ist, führte dazu, dass sich der Spintransport zu einem Mainstream entwickelte. Diese neuartige Entdeckung brachte ein ganz neues Forschungsgebiet hervor, das als sogenannte Spintronik oder auch spinbasierte Elektronik bekannt ist, welche den intrinsischen Spin der Elektronen nutzt. Wie erwartet lieferte die Spintronik eine neue Generation von magnetischen Bauelementen, welche in Festplatten und magnetoresistiven RAM-Speichern (MRAM, magnetic random access memory) zu fi sind. Die großen Vorteile der spintronischen Bauelemente sind die Nichtvolalität, die höheren Geschwindigkeiten, die verbesserte Datendichte und der geringerer Energieverbrauch. GMR-Bauteile werden bereits in der Industrie als magnetische Speicher und Leseköpfe verwendet. Die Qualität der GMR-Bauteile kann durch die Entwicklung von neuen magnetischen Materialien aber auch durch Verkleinerung, also Nutzung der Nanoskala verbessert wer- den. Zu den gewünschten charakteristischen Eigenschaften dieser neuen Materialien zählen eine höhere Spinpolarisation, höher erreichbare Curie-Temperaturen und eine verbesserte Spinfi tion. Halbmetalle, wie z.B., Heusler-Legierungen, Perovskite oder auch doppeloxide sind hierfür gute Kandidaten, weil von ihnen eine hohe Polarisierbarkeit erwartet wird. Die Bauteile, die in dieser Arbeit diskutiert werden, bestehen aus einer NiMnSb-Heusler-Legierung und Permalloy als ferromagnetische Schichten getrennt durch Cu als nichtmagnetische Schicht. Die Dissertation beinhaltet hauptsächlich zwei Aspekte nämlich die Herstellung und Charakterisierung von Nanosäulen. Die benutzte Schichtung zur Herstellung ist Ru/Py/Cu /NiMnSb, welche mittels MBE (molecular beam epitaxy) auf einem InP-Substrat mit einem (In,Ga)As-Puff gewachsen ist. Eine neue Herstellungsmethode, welche Metallmasken gegenüber der früher in unserer Arbeitsgruppe gängigen Methode (Verwendung von Resistmasken) nutzt, um eine erhöhte Probenfunktionalität zu erreichen, wird im Detail diskutiert. Ebenso werden die Vorteile dieser neuen Methode und das Detail der alten Methode vollständig in Kapitel 3 erläutert. Im Fokus des zweiten Teils (Kapitel 4 und 5) stehen elektrische Messungen und Charakterisierung der Nanos¨aulen im Hinblick auf den GMR und den Spintransfer-Moment-Messungen (SST). In Kapitel 4 werden die Ergebnisse der Strommessungen, die senkrecht zur GMR-Ebene (CPP-GMR) bei verschiedenen Temperaturen und eines in der Ebene angelegten Magnetfeldes durchgeführt wurden vorgestellt zudem wird die Abhängigkeit des CPP-GMR von Bias-Strömen und von der Formanisotropy der Bauteile untersucht. Ergebnisse dieser Messungen zeigen, dass die Bauteile eine groe Formanisotropy aufweisen. In den darauffolgenden Kapiteln werden Spintransfer-Moment Messungen, die durch magnetisches Schalten in den Bauteilen hervorgerufen wurden besprochen. Kritische Stromdichten liegen in der Größenordnung 106 A/cm2, welche eine Größenordnung kleiner ist als der aktuelle Industriestandard. Unsere Ergebnisse zeigen eine starke Abhängigkeit der zwei magnetischen Konfigurationsmöglichkeiten der Nanosäulen (parallel und anti- parallel) von dem in-plane Magnetfeld. Schließlich wurden vier magnetische Feldbereiche, basierend auf der Stabilität der magnetischen Konfiguration (P stabil, AP stabil, P und AP stabil, P und AP instabil) identifiziert.

Zugl.: Erlangen, Nürnberg, Universiẗat, Diss., 2009.

Techn. University, Habil.-Schr., 2005--Dresden.

Seit der Entdeckung des Spin-Torque durch Berger und Slonczewsky im Jahre 1996 gewann dieser Effekt immer mehr an Einfluss in dem Gebiet der Spintronic. Dies geschah besonders durch den Einfluss des Spin-Torque auf die Informationsspeicher und Kommunikationstechnologien (z.B. die Möglichkeit einen magnetischen Zustand eines Speicherelementes mit Hilfe von Strom und nicht wie bisher durch das Anlegen eines magnetischen Feldes zu ändern, oder die Realisierung eines hochfrequenten Spin-Torque-Oszillator (STO). Aufgrund des direkten Zusammenhangs zwischen der Dämpfung in Ferromagneten und der kritischen Stromdichte, die nötig ist um ein Spin-Ventil zu schalten oder ein Präzidieren der Magnetisierung zu induzieren, wurde die Forschung an Ferromagneten mit geringer Dämpfung zunehmend forciert. In dieser Arbeit werden Studien der ferromagnetischen Resonanz (FMR) von NiMnSb Schichten und Transportmessungen an NiMnSb basierten Spin-Ventilen präsentiert. Das Halbmetall NiMnSb ist mit einer theoretischen 100%igen Spinpolarisation prädestiniert für die Verwendung in GMR Elementen. Neben der theoretisch vorhergesagten hohen Spinpolarisation zeigen die durchgeführten FMR Messungen einen überaus geringen Dämpfungsfaktor für dieses Material. Dieser liegt in der Größenordnung von wenigen 10-3. Somit ist die Dämpfung in NiMnSb um den Faktor zwei geringer als in Permalloy und gut vergleichbar mit epitaktisch gewachsenen Eisen-Schichten. Neben den guten Dämpfungseigenschaften zeigen jedoch theoretische Modelle den Verlust der 100%igen Spinpolarisation durch das Brechen der Translationssymmetrie an Grenzflächen und das Kollabieren der Aufspaltung im Minoritäts-Spin-Band. Da ein Wachstum in (111) Richtung diesen Prozess entgegen wirken kann, werden in dieser Arbeit zudem auf (111)(In,Ga)As gewachsene NiMnSb Schichten mittels FMR untersucht. Die Messungen an diesen Proben zeigen, im Vergleich zu (001) orientierten Schichten, eine erhöhte Dämpfung. Zudem kann bei diesen Schichten eine schichtdickenabhängige uni-direktionale magnetische Anisotropie gemessen werden. Im Hinblick auf den möglichen industriellen Einsatz in Speicherelementen werden überdies Messungen an Sub-Mikrometer großen NiMnSb Elementen auf (001) orientierten Substraten präsentiert. Die Elemente wurden mittels Elektronenstrahllithographie hergestellt und mittels FMR vermessen. Auch die so prozessierten Schichten zeigen einen Dämpfungsfaktor im unteren 10-3 Bereich. Das Auftreten von magnetostatischen Moden in den Messungen ist ein weiterer indirekter Nachweis der hohen Qualität der NiMnSb-Schichten. Im Jahre 2001 wurde von Mizukamie und seinen Kollegen eine dickenabhängige Erhöhung der Gilbertdämpfung bei, mit Metallen bedeckten, Permalloy-Schichten beobachtet. Im Jahr darauf wurde von Tserkovnyak, Brataas und Bauer eine Theorie erarbeitet die dieses Phänomen auf ein Pumpen von Spins aus dem Ferromagneten in die Metalschicht zurückführt. Aus diesem Grund werden Messungen von NiMnSb Schichten, die mit verschiedenen Metallen und Isolatoren in-situ vor Oxidation geschützt wurden, präsentiert. Nach diesen materialspezifischen Voruntersuchungen werden auf NiMnSb und Permalloy basierte Pseudo-Spin-Ventile unter Verwendung eines selbst ausrichtenden lithographischen Prozesses hergestellt. Transportmessungen an den Proben zeigen ein GMRVerhältnis von 3,4% bei Raumtemperatur und fast das doppelte bei tiefen Temperaturen. Diese sind sehr gut vergleichbar mit den besten veröffentlichten GMR-Verhältnissen für Einzelschichtsysteme. Überdies kann in den Experimenten eine viel versprechend geringe kritische Stromdichte, die nötig ist, um die magnetische Orientierung zu ändern, gemessen werden. Diese ist vergleichbar mit kritischen Stromdichten aktuellster metallbasierter GMR-Elemente oder auf dem Tunneleffekt basierenden Spin-Ventilen. Das eigentliche Potential der auf NiMnSb basierenden Spin-Ventile wird erst ersichtlich wenn diese als STO zum Emittieren hochfrequenter, durchstimmbarer und schmalbandiger elektromagnetischer Wellen verwendet werden. Auf Heusler basierende STO zeigen einen überdurchschnittlich hohen q-Faktor von 4180, sogar im Betrieb ohne extern angelegtes Magnetfeld. Dieser ist um mehr als eine Größenordnung höher als der höchste veröffentliche q-Faktor eines ohne externes Feld arbeitenden STO. Während die Heusler basierten STO ebenso wie alle anderen STO unter einer geringen Ausgangsleistung leiden, machen die Maßstäbe im Sub-Mikrometer Bereich eine On-Chip Herstellung möglich. Somit kann durch ein Parallelschalten von gekoppelten Oszillatoren eine Erhöhung der Ausgangsleistung erzielt werden. / Since the discovery of spin torque in 1996, independently by Berger and Slonczewski, and given its potential impact on information storage and communication technologies, (e.g. through the possibility of switching the magnetic configuration of a bit by current instead of a magnetic field, or the realization of high frequency spin torque oscillators (STO), this effect has been an important field of spintronics research. One aspect of this research focuses on ferromagnets with low damping. The lower the damping in a ferromagnet, the lower the critical current that is needed to induce switching of a spin valve or induce precession of its magnetization. In this thesis ferromagnetic resonance (FMR) studies of NiMnSb layers are presented along with experimental studies on various spin-torque (ST) devices using NiMnSb. NiMnSb, when crystallized in the half-Heusler structure, is a half-metal which is predicted to have 100% spin polarization, a consideration which further increases its potential as a candidate for memory devices based on the giant magnetoresistance (GMR) effect. The FMR measurements show an outstandingly low damping factor for NiMnSb, in low 10-3 range. This is about a factor of two lower than permalloy and well comparable to lowest damping for iron grown by molecular beam epitaxy (MBE). According to theory the 100% spin polarization properties of the bulk disappear at interfaces where the break in translational symmetry causes the gap in the minority spin band to collapse but can remain in other crystal symmetries such as (111). Consequently NiMnSb layers on (111)(In,Ga)As buffer are characterized in respect of anisotropies and damping. The FMR measurements on these samples indicates a higher damping that for the 001 samples, and a thickness dependent uniaxial in-plane anisotropy. Investigations of the material for device use is pursued by considering sub-micrometer sized elements of NiMnSb on 001 substrates, which were fabricated by electron-beam lithography and measured by ferromagnetic resonance. The damping remains in the low 10-3 range as determined directly by extracting the Gilbert damping from the line width. Additionally magnetostatic modes are observed in arrays of elements, which is further evidence of high material quality of the samples. By sputtering various metals on top of the NiMnSb, spin pumping from the ferromagnet into the non-magnetic layer is investigated. After these material investigations, pseudo-spin-valves using NiMnSb as one of the ferromagnet, in combination with Permalloy were fabricating using a self-aligned lithography process. These samples show a GMR ratio of 3.4% at room temperature and almost double at low temperature, comparing favourably to the best single stack GMR structures reported to date. Moreover, current induced switching measurements show promisingly low current densities are necessary to change the magnetic orientation of the free layer. These current densities compete with state-of-the-art GMR devices for metal based structures and almost with tunnel junction devices. The true potential of these devices however comes to light when they are operated as spin torque oscillators to emit high frequency, tunable, narrow spectrum electromagnetic waves. These Heusler based STOs show an outstanding q-factor of 4180, even when operating in the absence of an external field, a value which bests the highest value in the literature by more than an order of magnitude. While these devices currently still suffer from the same limited output power as all STO reported to date, their sub-micron lateral dimensions make the fabrication of an on-chip array of coupled oscillators, which is a promising path forward towards industrially relevant output power.

Techn. Universiẗat, Diss., 2000--Dresden.

Bielefeld, Univ., Diss., 2004

Techn. Universiẗat, Diss., 2003--Dresden.

Darmstadt, Techn. Universiẗat, Diss., 2007.

Die Messung magnetischer Felder ist in der Sensorik von großem Interesse. Benötigt werden dazu physikalische Effekte, die magnetische Größen in elektrische Größen umsetzen. Ein interessanter Vertreter ist dabei der Riesenmagnetowiderstand (GMR). Systeme, die den GMR zeigen, sind Thema dieser Arbeit. Die untersuchten Systeme lassen sich in zwei Typen einteilen: Multilagen bestehen aus einer großen Zahl (30-40) nominell identischer Doppellagen aus abwechselnd ferromagnetischem und nichtmagnetischem Metall. Diese Systeme zeigen eine Widerstandsänderung mit der Stärke des externen Magnetfeldes. Untersucht wurden Schichten Co/Cu und NiFe/Cu. Es konnten Schichten mit einer Sensitivität von 3.2%/mT präpariert werden. Für den Rückgang der Signalstärke bei erhöhten Temperaturen sind, abhängig von der Cu-Dicke, zwei unterschiedliche Mechanismen verantwortlich. Diese werden diskutiert. Spin Valves bestehen aus Einzellagen unterschiedlicher Materialien (antiferro-, ferro- und paramagnetisch), meist Metalle, die eine Widerstandsänderung mit der Richtung des externen Magnetfeldes zeigen. Untersucht wurden Systeme, die auf NiO, FeMn und IrMn basieren. Die Temperaturabhängigkeit dieser Systeme zeigt Eigenschaften, die für die kommerzielle Nutzung wichtig sein können. Die mikroskopischen Ursachen werden diskutiert. Ein neu entwickeltes, leistungsfähiges Modell kann das sensorische Verhalten dieser Systeme sehr gut nachbilden und erlaubt so einen Einblick in die internen Vorgänge.

Techn. University, Diss., 2004--Darmstadt.