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The direct integration of magnon-spintronic devices in current technologies requires the development of spin-wave sources emitting ultra-short wavelengths and low-loss spin-wave guides. In this work, possible solutions for both of these challenges are provided. The first part of this thesis is dedicated to the nonreciprocal spin-wave emission in magnetic bilayers. Two prototype systems are theoretically investigated and corroborated by experimental results: (i) extended magnetic bilayer films and (ii) micron-sized elliptical magnetic bilayers. The nonreciprocity of the dispersion relation induced by the dynamic dipole-dipole interactions is investigated by means of micromagnetic simulations and an analytic theory. The nonreciprocal frequency shift linearly increases with the film thickness for small wave numbers. The topological emission of short-wavelength spin waves is observed in the micron-sized elliptical magnetic bilayers using scanning transmission X-ray microscopy and theoretically corroborated utilizing micromagnetic simulations. The second part of this thesis theoretically investigates a special spin transport mechanism in ferromagnetic thin films termed spin superfluidity. The main characteristic of this macroscopic state is the power-law dependence of the dissipated spin current in contrast to the exponential damping of spin waves, enabling low-loss long-range transport. The possible existence and the stability of the superfluidic transport in ferromagnetic thin films excited by spin-transfer torque in the presence of the intrinsic dipole-dipole interactions is reported for the first time. To provide indicators to prove the experimental realization of a spin superfluid the dependence on the excitation current is numerically analyzed. Three distinct regimes are obtained for both disabled and enabled dipole-dipole interactions, showing the generality of the investigated system. Both presented effects might open new paths for the technological application of magnonic devices in the future. / Die direkte Integration von magnon-spintronischen Bauteilen in moderne Technologien erfordert die Entwicklung von kurzwelligen Spinwellenquellen und verlustarmer Spinwellenleiter. In dieser Arbeit werden mögliche Lösungen für diese beiden Herausforderungen vorgestellt. Der erste Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der nichtreziproken Spinwellenemission in magnetischen Doppellagen. Zwei Prototypsysteme werden theoretisch untersucht und durch experimentelle Ergebnisse untermauert: (i) ausgedehnte magnetische Doppellagen und (ii) mikrometer-große elliptische Doppellagen. Durch die dynamischen Dipol-Dipol-Wechselwirkungen wird eine Nichtreziprozität der Dispersionsrelation induziert. Diese wird mittels mikromagnetischer Simulationen und einer analytischen Theorie untersucht. Die nichtreziproke Frequenzverschiebung nimmt hierbei bei kleinen Wellenzahlen linear mit der Filmdicke zu. Die topologische Emission von Spinwellen wird in den mikrometer-großen elliptischen Doppellagen unter Verwendung von Röntgentransmissionsmikroskopie beobachtet und theoretisch unter Verwendung mikromagnetischer Simulationen bestätigt. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird der spezielle Spintransport in ferromagnetischen dünnen Filmen untersucht, der als Spinsuprafluidität bekannt ist. Das Hauptmerkmal dieses makroskopischen Zustands ist die Abhängigkeit des dissipierten Spinstromes von der Propagationslänge als Potenzgesetz im Gegensatz zur exponentiellen Dämpfung von Spinwellen. Die Existenz und die Stabilität des suprafluiden Transportes in dünnen ferromagnetischen Filmen, angeregt durch einen spinpolarisierten Strom, in Gegenwart der intrinsischen Dipol-Dipol-Wechselwirkungen wird erstmals beschrieben. Um Hinweise für die experimentelle Realisierung der Spinsuprafluidität zu geben, wird die Abhängigkeit des Zustandes vom Anregungsstrom numerisch analysiert. Hierbei ergeben sich drei verschiedene Bereiche für den Fall vernachlässigter als auch aktivierter Dipol-Dipol-Wechselwirkung. Dies zeigt die Allgemeinheit des untersuchten Systems. Die beiden vorgestellten Effekte könnten in Zukunft neue Wege für die technologische Anwendung magnonischer Strukturen eröffnen.

Das Schalten und das Auslesen der magnetischen Ausrichtung einzelner winziger magnetischer Informationsspeicher müssen zu wirklich nanoskopischer Dimension entwickelt werden, um mit der Miniaturisierung von modernen, nanoelektronischen Bauteilen Schritt zu halten. Daher sind neue Konzepte, den magnetischen Zustand von Nanostrukturen elektronisch gezielt zu beeinflussen, derzeitig im Mittelpunkt wissenschaftlicher Untersuchungen. Diese Arbeit befasst sich mit dem zuverlässigen Einstellen der Magnetisierung eines rein horizontal kontaktierten, nanoskopischen Magneten, in zwei stabile Zustände. Ein spinpolarisierter Strom wird bei Raumtemperatur in eine Leiterbahn unterhalb des magnetischen Nanopillars injiziert. Spindiffusion durch den Kontakt zwischen der Leiterbahn (Cu) und dem Pillar (CoFe) ruft eine Spin-Akkumulation im Nanopillar hervor, der durch den Spin Transfer Torque-Effekt (STT) vermittelt wird. Bei diesem Prozess verursachen die akkumulierten Elektronenspins ein auftretendes Netto-Moment, das senkrecht auf die Magnetisierungsorientierung des Nanopillars wirkt und so das Schalten ermöglicht. In den STT-induzierten Schaltexperimenten wird der magnetische Zustand des Nanopillars durch eine bildgebendes Messverfahren mittels Rasterröntgentransmissionsmikroskopie (STXM) erfasst. So konnte gezeigt werden, dass sich die Magnetisierung des Pillars auch gegen das Oersted-Feld des Schaltstroms reversibel schalten lässt. / “Changing and detecting the orientation of nanomagnetic structures, which can be used for durable information storage, needs to be developed towards true nanoscale dimensions for keeping up the miniaturization speed of modern nano electronic components. Therefore, new concepts for controlling the state of nano magnets are currently in the focus of research in the field of nanoelectronics. Here, we demonstrate reproducible switching of a purely metallic nanopillar placed on a lead that conducts a spin-polarized current at room temperature. Spin diffusion across the metal-metal (Cu to CoFe) interface between the pillar and the lead causes spin accumulation in the pillar, which may then be used to set the magnetic orientation of the pillar by means of Spin Transfer Torque (STT). In our experiments, the detection of the magnetic state of the nanopillar is performed by direct imaging via scanning transmission x-ray microscopy (STXM)” [1]. Therefore it could be demonstrated, to reversibly switch the nanopillar’s magnetic state even against the Oersted field which is induced by the switching current. Furthermore we could show, that magnetization switching is possible by a pure spin current that is diffusively transported beneath the nanopillar.

Das Schalten und das Auslesen der magnetischen Ausrichtung einzelner winziger magnetischer Informationsspeicher müssen zu wirklich nanoskopischer Dimension entwickelt werden, um mit der Miniaturisierung von modernen, nanoelektronischen Bauteilen Schritt zu halten. Daher sind neue Konzepte, den magnetischen Zustand von Nanostrukturen elektronisch gezielt zu beeinflussen, derzeitig im Mittelpunkt wissenschaftlicher Untersuchungen. Diese Arbeit befasst sich mit dem zuverlässigen Einstellen der Magnetisierung eines rein horizontal kontaktierten, nanoskopischen Magneten, in zwei stabile Zustände. Ein spinpolarisierter Strom wird bei Raumtemperatur in eine Leiterbahn unterhalb des magnetischen Nanopillars injiziert. Spindiffusion durch den Kontakt zwischen der Leiterbahn (Cu) und dem Pillar (CoFe) ruft eine Spin-Akkumulation im Nanopillar hervor, der durch den Spin Transfer Torque-Effekt (STT) vermittelt wird. Bei diesem Prozess verursachen die akkumulierten Elektronenspins ein auftretendes Netto-Moment, das senkrecht auf die Magnetisierungsorientierung des Nanopillars wirkt und so das Schalten ermöglicht. In den STT-induzierten Schaltexperimenten wird der magnetische Zustand des Nanopillars durch eine bildgebendes Messverfahren mittels Rasterröntgentransmissionsmikroskopie (STXM) erfasst. So konnte gezeigt werden, dass sich die Magnetisierung des Pillars auch gegen das Oersted-Feld des Schaltstroms reversibel schalten lässt.:Kurzfassung v Abstract vi Danksagung xi 1 Einleitung 1 2 Grundlagen zu Spintronic 5 2.1 Elektronenspins als Grundlage für den Ferromagnetismus . . . . . . 6 2.2 Magnetowiderstandseffekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.2.1 Anisotroper Magnetowiderstandseffekt (AMR) . . . . . . . . 8 2.2.2 Riesenmagnetowidersandseffekt (GMR) . . . . . . . . . . . . 10 2.2.3 Tunnelmagnetowiderstandeffekt (TMR) . . . . . . . . . . . 13 2.3 Spin–Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.3.1 Spinpolarisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.3.2 Spin-Injektion und Spin-Akkumulation . . . . . . . . . . . . 17 2.3.3 Spinpolarisierter elektrischer Transport . . . . . . . . . . . . 20 2.4 Spin Transfer Torque (STT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.5 Geometrien für Spintronic–Bauelemente . . . . . . . . . . . . . . . 30 3 Probenkonzept und Fabrikationsmethoden 35 3.1 Probenkonzept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.1.1 Anforderungen an die CIP–STT-Struktur . . . . . . . . . . . 37 3.1.2 Anforderungen an die ferromagnetischer Materialien . . . . . 38 3.2 Techniken der Probenfabrikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3.2.1 Elektronenstrahllithografie (EBL) . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.2.2 Positiv- und Negtivlack Prozess . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.2.3 Physikalisches Ätzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.3 Probenfabrikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4 Experimentelle Methoden 49 4.1 Transmissionsröntgenmikroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 4.1.1 Rastertransmissionsröntgenmikroskopie (STXM) . . . . . . . 51 4.1.2 Kontrastmechanismen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 4.1.3 Röntgenmagnetischer zirkularer Dichroismus (XMCD) . . . 54 4.2 Magneto-optische Kerr–Effekt Mikroskopie . . . . . . . . . . . . . . 57 4.2.1 Kerr–Mikroskop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 4.2.2 Longitudinale Kerr–Geometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 5 STT–Experimente und Diskussion 61 5.1 Experimenteller Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 5.2 Eigenschaften der magnetischen Bauelemente . . . . . . . . . . . . . 64 5.2.1 MOKE-Mikroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 5.2.2 Mikromagnetische Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 5.2.3 Analytische Berechnung zum Nanopillar . . . . . . . . . . . 70 5.2.4 Röntgentransmissionsmikroskopie . . . . . . . . . . . . . . . 72 5.3 Spin Transfer Torque-Schalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 5.3.1 STT-Schalten mit unterstützendem Magnetfeld . . . . . . . 74 5.3.2 STT-Schalten ohne unterstützendes Magnetfeld . . . . . . . 79 5.3.3 Betrachtung besonderer experimenteller Aspekte . . . . . . . 81 5.3.4 STT-Schalten ohne direkten Ladungstransport . . . . . . . . 89 5.3.5 Magnetisierungsumkehr durch Oersted-Feld . . . . . . . . . 93 6 Zusammenfassung und Ausblick 97 A STXM-Hysteresemessungen der Polarisatoren und Nanopillar 101 Literaturverzeichnis 105 / “Changing and detecting the orientation of nanomagnetic structures, which can be used for durable information storage, needs to be developed towards true nanoscale dimensions for keeping up the miniaturization speed of modern nano electronic components. Therefore, new concepts for controlling the state of nano magnets are currently in the focus of research in the field of nanoelectronics. Here, we demonstrate reproducible switching of a purely metallic nanopillar placed on a lead that conducts a spin-polarized current at room temperature. Spin diffusion across the metal-metal (Cu to CoFe) interface between the pillar and the lead causes spin accumulation in the pillar, which may then be used to set the magnetic orientation of the pillar by means of Spin Transfer Torque (STT). In our experiments, the detection of the magnetic state of the nanopillar is performed by direct imaging via scanning transmission x-ray microscopy (STXM)” [1]. Therefore it could be demonstrated, to reversibly switch the nanopillar’s magnetic state even against the Oersted field which is induced by the switching current. Furthermore we could show, that magnetization switching is possible by a pure spin current that is diffusively transported beneath the nanopillar.:Kurzfassung v Abstract vi Danksagung xi 1 Einleitung 1 2 Grundlagen zu Spintronic 5 2.1 Elektronenspins als Grundlage für den Ferromagnetismus . . . . . . 6 2.2 Magnetowiderstandseffekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.2.1 Anisotroper Magnetowiderstandseffekt (AMR) . . . . . . . . 8 2.2.2 Riesenmagnetowidersandseffekt (GMR) . . . . . . . . . . . . 10 2.2.3 Tunnelmagnetowiderstandeffekt (TMR) . . . . . . . . . . . 13 2.3 Spin–Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.3.1 Spinpolarisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.3.2 Spin-Injektion und Spin-Akkumulation . . . . . . . . . . . . 17 2.3.3 Spinpolarisierter elektrischer Transport . . . . . . . . . . . . 20 2.4 Spin Transfer Torque (STT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.5 Geometrien für Spintronic–Bauelemente . . . . . . . . . . . . . . . 30 3 Probenkonzept und Fabrikationsmethoden 35 3.1 Probenkonzept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.1.1 Anforderungen an die CIP–STT-Struktur . . . . . . . . . . . 37 3.1.2 Anforderungen an die ferromagnetischer Materialien . . . . . 38 3.2 Techniken der Probenfabrikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3.2.1 Elektronenstrahllithografie (EBL) . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.2.2 Positiv- und Negtivlack Prozess . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.2.3 Physikalisches Ätzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.3 Probenfabrikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4 Experimentelle Methoden 49 4.1 Transmissionsröntgenmikroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 4.1.1 Rastertransmissionsröntgenmikroskopie (STXM) . . . . . . . 51 4.1.2 Kontrastmechanismen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 4.1.3 Röntgenmagnetischer zirkularer Dichroismus (XMCD) . . . 54 4.2 Magneto-optische Kerr–Effekt Mikroskopie . . . . . . . . . . . . . . 57 4.2.1 Kerr–Mikroskop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 4.2.2 Longitudinale Kerr–Geometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 5 STT–Experimente und Diskussion 61 5.1 Experimenteller Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 5.2 Eigenschaften der magnetischen Bauelemente . . . . . . . . . . . . . 64 5.2.1 MOKE-Mikroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 5.2.2 Mikromagnetische Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 5.2.3 Analytische Berechnung zum Nanopillar . . . . . . . . . . . 70 5.2.4 Röntgentransmissionsmikroskopie . . . . . . . . . . . . . . . 72 5.3 Spin Transfer Torque-Schalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 5.3.1 STT-Schalten mit unterstützendem Magnetfeld . . . . . . . 74 5.3.2 STT-Schalten ohne unterstützendes Magnetfeld . . . . . . . 79 5.3.3 Betrachtung besonderer experimenteller Aspekte . . . . . . . 81 5.3.4 STT-Schalten ohne direkten Ladungstransport . . . . . . . . 89 5.3.5 Magnetisierungsumkehr durch Oersted-Feld . . . . . . . . . 93 6 Zusammenfassung und Ausblick 97 A STXM-Hysteresemessungen der Polarisatoren und Nanopillar 101 Literaturverzeichnis 105