Stuttgart, Univ., Diss., 2005.

In dieser Arbeit werden magnetische Vortex-Dreifachlagen-Systeme untersucht. Mittels Magnetfeld, Strom und Röntgenzirkulardichroismus kann erstmals die magnetische Konfiguration der Vortexlagen mit dem simultan gemessenen Magnetowiderstand verglichen werden. Die senkrecht mit Strom durchflossenen Kobalt-Kupfer-Permalloy Scheiben werden in einem Mehrschrittprozess mittels Elektronenstrahllithographie auf einer Membran hergestellt, um mit Rastertransmissions-Röntgenmikroskopie untersuchbar zu sein. Die Auswertung der STXM-Bilder zeigt das gleiche Verhalten wie die Widerstandsmessungen und erlaubt eine eindeutige Zuordnung. Um auch die kleinsten scheibenförmigen Dreifachlagensysteme mittels ferromagnetischer Resonanz zu messen, wurde die Mikroresonator FMR optimiert. Damit können bereits etwa 2.3*10^7 Kobaltatome gemessen werden, wobei die Empfindlichkeit bis zu 4*10^6 Atomen ausreichend sein sollte. Durch 6-fache Mittelung lässt sich ein Kobaltwürfel mit einer Kantenlänge von 12,5nm detektieren. Dabei sind nicht nur die uniforme Mode, sondern auch lokal angeregte Moden sichtbar. Mittels mikromagnetischer Simulationen lassen sich den Resonanzen Modenbilder zuordnen. Die scheibenförmige Dreifachlage wird mit den FMR-Messungen sowohl mit verringertem Durchmesser, als auch mit reduzierter Zwischenschicht untersucht.

Electronic properties of solids are vitally important for modern technology, one may think of microelectronics, magnetic data storage, communication technologies and others. Sometimes, it seems possible to postpone the step of fundamental understanding when starting the application of a new material. However, lasting success and discovery of principally new approaches is based on it ...

In dieser Arbeit werden magnetische Vortex-Dreifachlagen-Systeme untersucht. Mittels Magnetfeld, Strom und Röntgenzirkulardichroismus kann erstmals die magnetische Konfiguration der Vortexlagen mit dem simultan gemessenen Magnetowiderstand verglichen werden. Die senkrecht mit Strom durchflossenen Kobalt-Kupfer-Permalloy Scheiben werden in einem Mehrschrittprozess mittels Elektronenstrahllithographie auf einer Membran hergestellt, um mit Rastertransmissions-Röntgenmikroskopie untersuchbar zu sein. Die Auswertung der STXM-Bilder zeigt das gleiche Verhalten wie die Widerstandsmessungen und erlaubt eine eindeutige Zuordnung. Um auch die kleinsten scheibenförmigen Dreifachlagensysteme mittels ferromagnetischer Resonanz zu messen, wurde die Mikroresonator FMR optimiert. Damit können bereits etwa 2.3*10^7 Kobaltatome gemessen werden, wobei die Empfindlichkeit bis zu 4*10^6 Atomen ausreichend sein sollte. Durch 6-fache Mittelung lässt sich ein Kobaltwürfel mit einer Kantenlänge von 12,5nm detektieren. Dabei sind nicht nur die uniforme Mode, sondern auch lokal angeregte Moden sichtbar. Mittels mikromagnetischer Simulationen lassen sich den Resonanzen Modenbilder zuordnen. Die scheibenförmige Dreifachlage wird mit den FMR-Messungen sowohl mit verringertem Durchmesser, als auch mit reduzierter Zwischenschicht untersucht.

Electronic properties of solids are vitally important for modern technology, one may think of microelectronics, magnetic data storage, communication technologies and others. Sometimes, it seems possible to postpone the step of fundamental understanding when starting the application of a new material. However, lasting success and discovery of principally new approaches is based on it ...

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den Auswirkungen der Ionenimplantation auf die Materialeigenschaften verschiedener magnetischer Probensysteme. Durch die Implantation mit Ionen kann man auf vielfältige Art und Weise die Eigenschaften von magnetischen Materialien modifizieren und maßschneidern, so zum Beispiel die Sättigungsmagnetisierung und die magnetische Anisotropie. Aus der Untersuchung von drei verschiedenen Probensystemen ergibt sich die Dreigliederung des Ergebnisteils. Im ersten Teil der Arbeit, dem Hauptteil, wird die Strukturierung von Permalloyschichten durch Ionen und der Einfluss auf den anisotropen Magnetowiderstand (AMR) untersucht. Der AMR ist direkt abhängig von der Ausrichtung der Magnetisierung eines Materials zum angelegten Strom. Um die Magnetisierungsrichtung sichtbar zu machen wurde ein Kerrmikroskop benutzt. Dieses wurde im Rahmen dieser Arbeit technisch erweitert um gleichzeitig auch den AMR messen zu können. Damit war es erstmalig möglich den AMR und die magnetischen Domänenkonfigurationen direkt zu vergleichen. Durch eine weitere Modifikation des Kerrmikrosops ist es möglich quantitative Bilder eines kompletten Ummagnetisierungsvorganges zu messen. Es konnte gezeigt werden, dass der berechnete AMR des Bildausschnittes mit dem gemessenen übereinstimmt. Der AMR ist abhängig von der Streifenbreite, der Streifenausrichtung zum Strom, der Stärke der induzierten Anisotropie, dem angelegten Feldwinkel und der Sättigungsmagnetisierung. Im Fall von schmalen Streifen führt das zweistufige Schalten zu einem AMR-Maximum, wenn die Streifen mit der niedrigeren Sättigungsmagnetisierung geschaltet haben. Das Zusammensetzen der Streifenstruktur ermöglicht es den AMR gezielt zu manipulieren. Bei geringer induzierter Anisotropie sind verschiedene komplexe Domänen messbar, welche sich in einem asymmetrischen AMR widerspiegeln. So kann der AMR auf vielfältige Weise manipuliert und deren Abhängigkeit von den magnetischen Domänen mittels Kerrmikroskopie gemessen werden. Im zweiten Teil wurde die Erzeugung eines Anisotropiegradienten durch Ionenimplantation in einem Speichermedium untersucht. Hierbei handelt es sich um eine Kooperation mit Peter Greene (University of California Davis) und Elke Arenholz (Lawrence Berkeley Laboratory). Nachdem die Ionenverteilung in dem Material mit TRIDYN simuliert wurde, erfolgte eine Implantation in die oberen Schichten der Co/Pd Multilagen. Dieses hat eine Veränderung der magnetischen Anisotropie zur Folge. Die Ummagnetisierungskurven sind mit dem polaren magnetooptische Kerreffekt (polaren MOKE) und Vibrationsmagnetometrie vermessen worden. Außerdem fand eine Strukturanalyse mit Röntgenreflektrometrie und Röntgendiffraktometrie statt. Die abschließende Beurteilung des Schaltverhaltens erfolgte durch die Auswertung der Ummagnetisierungskurven erster Ordnung. Es ist uns gelungen die oberen Schichten durch die Implantation weichmagnetisch zu machen. Die darunterliegenden Schichten sind noch hartmagnetisch und das Material zeigt textit{exchange spring} Verhalten. Es erfüllt somit die Voraussetzungen, um als Speichermedium genutzt zu werden. Damit konnte erfolgreich gezeigt werden, dass man mit Ionenimplantation einen Anisotropiegradienten in einem Speichermedium erzeugen kann und dadurch das gewünschte Schaltverhalten erzeugt. Im dritten Teil, in einem Projekt mit Björn Obry (TU Kaiserslautern), geht es um die Erzeugung eines Spinwellenleiters und eines magnonischen Kristalls durch die Ionenimplantation in Permalloy. Zur Herstellung des Spinwellenleiters und des magnonischen Kristalls macht man sich die lokale Reduzierung der Sättigungsmagnetisierung durch die Implantation zu nutze. Es wurden Messungen mit dem polaren MOKE gemacht. Die Spinwellencharakterisierung ist mit dem Brillouin-Lichtstreumikroskop durchgeführt worden. Es war möglich die Ionenimplantation zur Herstellung eines magnonischen Kristalls und eines Spinwellenleiters zu nutzen. Das Verändern von magnetischen Materialeigenschaften durch Implantation eröffnet somit verschiedene Möglichkeiten. Mit Ionenimplantation kann man Permalloy so strukturieren, dass man den AMR gezielt manipulieren kann. Außerdem wurde Ionenimplantation genutzt um einen Anisotropiegradienten in einem Speichermedium zu erzeugen. Durch diesen Anisotropiegradient konnte das Schaltverhalten gezielt modifiziert werden. Mit Hilfe von Ionenimplantation kann man auch ein magnonisches Kristall und einen Spinwellenleiter herstellen. / This thesis deals with magnetic modification of ferromagnetic films by ion implantation, such as induced changes of the magnetic anisotropy and changes in the saturation magnetization. Three different sample structures were investigated. Therefore the result section is divided into three parts. The influence of ion induced magnetic patterning on the anisotropic magnetoresistance (AMR) is investigated in the first part. The AMR directly depends on the angle between the applied current and the magnetization of the material. To investigate this relationship a Kerr microscopy,for observing the magnetic domains was combined with resistance measurements. The measurements were performed on stripe patterned permalloy samples. This is the main part of the thesis. The creation of an anisotropy gradient in a storage media by ion implantation is the topic of the second part. It was a collaborative project with Peter Greene (University of California Davis) and Elke Arenholz (Lawrence Berkeley Laboratory). The goal was to create a magnetic anisotropy gradient by introducing ions in the upper layer of the Co/Pd- multilayer. After TRIDYN simulations of the ion distribution, the implantation was performed and the magnetization curves were measured with polar magneto-optical Kerr effect and vibrating sample magnetometry. In addition to this, structural characterization was carried out by x-ray reflection and x-ray diffraction measurements. For the final determination of the switching behavior first order reversal curves were analyzed. The aim of the third part was to create a spin wave guide and a magnonic crystal by local ion implantation. In this project with Björn Obry (TU Kaiserslautern) the characteristic of the ions to reduce the saturation magnetization in permalloy was used and the effect on the spin wave propagation was analyzed. Polar MOKE was performed to determine the saturation magnetization. Brillouin light scattering microscopy was used to analyze the spin wave behavior inside the material.

In the present work, the magnetotransport measurement technique was developed and various materials, exhibiting resistances from 1 mOhm up to several tens of kOhm, were investigated in pulsed magnetic fields of up to 60 T. Phase diagrams of irreversibility and upper critical fields for pure and Zn-doped YBa2Cu3O_7-x high-temperature superconductors were measured. A high-field study of the electronic properties of the two semimetals LaBiPt and CeBiPt were presented. Magnetoresistance of La0.7Sr0.3MnO3 and La0.7Ca0.3MnO3 thin films were investigated.

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Perovskit-Oxide weisen eine große Bandbreite an physikalischen Eigenschaften bei gleichzeitig hoher struktureller Qualität in kleinsten Dimensionen auf. Die dramatischen Veränderungen ihrer Eigenschaften bei nur geringer Variation der stöchiometrischen Zusammensetzung sind sowohl für ein tieferes physikalisches Verständnis als auch für mögliche Anwendungsperspektiven interessant. In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss von Ladungsübertragung an Grenz- flächen, Anisotropiemodifikation durch Verspannung und Oberflächeneffekte sowie magnetische und strukturelle Kopplung untersucht. Aufgrund ihrer kontrastierenden Eigenschaften im Hinblick auf Ferromagnetismus und Ladungstransport wurden dotiertes Lanthanmanganat und Strontiumruthenat (SRO) für die Untersuchungen ausgewählt. Durch ihre hervorragenden Wachstumseigenschaften mit fehlerlosen Grenzflächen auf atomarer Ebene erlauben sie als Modellsystem die Untersuchung elektronischer, magnetischer und struktureller Kopplung in Perovskit-Oxiden – mit folgenden Ergebnissen: Durch Ladungsübertragung an Grenzflächen wird Ferromagnetismus in Schichten von weniger als vier Einheitszellen in Manganaten stabilisiert. Die mikroskopische Struktur der Systeme kann aus der Analyse der durch die Anisotropie bedingten Symmetrie der winkelabhängigen Magnetotransport- messungen erschlossen werden. Bei abnehmender Schichtdicke verringert sich die intrinsische orthorhombische Symmetrie in SRO zugunsten einer tetragonalen aufgrund der Symmetriebrechung an der Grenzfläche. Die Untersuchungen des anormalen Hall Effekts unterstreichen seine Tensor-Natur und zeigen eine Abhängigkeit des Vorzeichens sowohl von der magnetischen Anisotropie als auch der mikroskopischen Schichtqualität. Die Beobachtung einer Anisotropie oberhalb der Übergangstemperatur von SRO in Manganatschichten einer Dicke von zwei bis sechs Einheitszellen weist auf eine strukturelle Kopplung über die Sauerstoffoktaederrotationen hin. Die komplexe Wechselwirkung zwischen antiferromagnetischer Kopplung und schichtdickenabhängiger Anisotropie und dem magnetischen Moment werden in einem 2-Schichten-Modell beschrieben. Übergitter mit Einzelschichten von weniger als drei Einheitszellen lassen sich nicht mehr mit individuellen Einzelschichten beschreiben sondern stellen einen künstlichen Ferrimagneten dar. / Perovskite oxides show a range of physical properties in combination with high structural quality in small dimensions. The dramatic change of their properties upon small variation in stoichiometry or external influences as pressure/strain are interesting for both a deeper understanding of fundamental condensed matter physics as well as electronic applications. In the present thesis the influence of charge transfer at interfaces, modification of the magnetic anisotropy by strain and surface effects, as well as magnetic and structural coupling was studied. In virtue of their contrasting ferromagnetic and transport properties, charge doped lanthanum manganite and strontium ruthenate (SRO) were chosen for this study. Their superior growth properties allowing atomically flat defect free interfaces make them a model system to study electronic magnetic and structural coupling phenomena in perovskite oxides − with the following findings: Charge transfer at interfaces stabilizes ferromagnetism in single layers of manganites down to one unit cell thickness similar to finite size scaling in ordinary transition metal ferromagnets. The microscopic structure of crystalline layers can be obtained from an analysis of the symmetries present in angle dependent magnetotransport measurements, which are determined by the anisotropy. Upon thickness reduction, the intrinsic orthorhombic symmetry in SRO is reduced in favour of a tetragonal one owing to the symmetry breaking at the interface. Studies on the anomalous Hall effect underline its tensorial nature and show a sign dependence on both magnetic anisotropy and microstructural quality. The observation of an in-plane anisotropy in manganite layers in the thickness range of two to six unit cells indicates a structural coupling via the oxygen octahedra. The complex interplay of antiferromagnetic coupling and layer thickness dependent anisotropy and magnetic moment are described in a bilayer model. Superlattices with individual layers of less than three unit cells cannot be described by the individual layer properties but represent an artificial ferrimagnet.

As modern microelectronics advances, enormous challenges have to be overcome in order to further increase device performance, enabling highspeed and ultra-low-power applications. With progressive scaling of Silicon MOSFETs, charge carrier mobility has dropped significantly and became a critical device parameter over the last decade. Present technology nodes make use of strain engineering to partially recover this mobility loss. Even though carrier mobility is a crucial parameter for present technology nodes, it cannot be determined accurately by methods typically available in industrial environments. A major objective of this work is to study the magnetoresistance mobility μMR of strained VLSI devices based on a 28 nm ground rule. This technique allows for a more direct access to charge carrier mobility, compared to conventional current/ voltage and capacitance/ voltage mobility derivation methods like the effective mobility μeff, in which series resistance, inversion charge density and effective channel length are necessary to extract the mobility values of the short channel devices. Aside from providing an anchor for accurate μeff measurements in linear operation conditions, μMR opens the possibility to investigate the saturation region of the device, which cannot be accessed by μeff. Electron and hole mobility of nFET and pFET devices with various gate lengths are studied from linear to saturation region. In addition, the interplay between mobility enhancement due to strain improvement, and mobility degradation due to short channel effects with decreasing channel length is analyzed. As a concept device for future nanoelectronic building blocks, silicon nanowire Schottky field-effect transistors are investigated in the second part of this work. These devices exhibit an ambipolar behaviour, which gives the opportunity to measure both electron and hole transport on a single device. The temperature dependence of the source/drain current for specific gate and drain voltages is analyzed within the framework of voltage dependent effective barrier heights.:1. Einleitung 2. Theoretische Grundlagen 3. Charakterisierungsmethoden 4. Messaufbau 5. Ergebnisse der Untersuchungen an MOSFETs 6. Ergebnisse der Untersuchungen an SiNW Transistoren 7. Zusammenfassung Anhang Danksagungen