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Current-Induced Excitations in Ferromagnetic Single Layer and Trilayer Nanodevices / Spinstrominduzierte Anregungen in nanostrukturierten ferromagnetischen Einfach- und DreifachlagenParge, Anne 23 March 2007 (has links)
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Spin Transfer Torque-induziertes Schalten von Nanomagneten in lateraler Geometrie bei Raumtemperatur / Spin transfer torque induced switching of nano magnets in lateral spin valve geometry at roomtemperatureBuhl, Matthias 14 April 2014 (has links) (PDF)
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.
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Präparation und Charakterisierung nanostrukturierter Magnetwerkstoffe unter besonderer Berücksichtigung des Exchange Bias EffektsSchletter, Herbert 27 February 2014 (has links) (PDF)
Der Einsatz nanostrukturierter Magnetmaterialien als Speicherschichten in Festplatten stellt ein vielversprechendes Konzept zur weiteren Erhöhung der erreichbaren Speicherdichten im Vergleich zu den heute eingesetzten granularen Medien dar. Für die Realisierung dieses Konzeptes ist eine detaillierte Kenntnis der Struktureigenschaften und deren Einfluss auf das magnetische Verhalten der einzusetzenden Schichten erforderlich. Für die vorliegende Arbeit wurden drei verschiedene magnetische Materialien ausgewählt und insbesondere mit elektronenmikroskopischen Methoden in struktureller Hinsicht untersucht. Dazu zählen ferromagnetische (FePt)(100-x)Cu(x) -Schichten, ferromagnetische [Co/Pt]n -Multilagen sowie ferrimagnetische Fe(100-x)Tb(x) -Schichten.
Der Schwerpunkt der Untersuchungen lag dabei auf der Korrelation zwischen strukturellen und magnetischen Eigenschaften sowie im Einfluss der Nanostrukturierung auf das magnetische Verhalten der Schichten. In dieser Hinsicht wurden Aspekte der durch die Struktur bedingten magnetischen Anisotropie in Form von magnetokristalliner und Grenzflächenanisotropie betrachtet. Zudem wurde das Kopplungsverhalten zwischen einzelnen Strukturelementen in nanostrukturierten Schichten untersucht.
Aufbauend auf die Untersuchung der drei genannten Materialien wurden [Co/Pt]n und Fe(100-x)Tb(x) ausgewählt zum Aufbau eines Systems mit zwei magnetischen Komponenten: Fe(80)Tb(20) / [Co/Pt]10. Die Untersuchungen konzentrierten sich dabei auf die Morphologie der Grenzfläche zwischen den beiden Bestandteilen und deren Einfluss auf den Exchange Bias, der in diesem System vorliegt.
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Spin Transfer Torque-induziertes Schalten von Nanomagneten in lateraler Geometrie bei RaumtemperaturBuhl, Matthias 07 April 2014 (has links)
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
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Präparation und Charakterisierung nanostrukturierter Magnetwerkstoffe unter besonderer Berücksichtigung des Exchange Bias EffektsSchletter, Herbert 12 July 2013 (has links)
Der Einsatz nanostrukturierter Magnetmaterialien als Speicherschichten in Festplatten stellt ein vielversprechendes Konzept zur weiteren Erhöhung der erreichbaren Speicherdichten im Vergleich zu den heute eingesetzten granularen Medien dar. Für die Realisierung dieses Konzeptes ist eine detaillierte Kenntnis der Struktureigenschaften und deren Einfluss auf das magnetische Verhalten der einzusetzenden Schichten erforderlich. Für die vorliegende Arbeit wurden drei verschiedene magnetische Materialien ausgewählt und insbesondere mit elektronenmikroskopischen Methoden in struktureller Hinsicht untersucht. Dazu zählen ferromagnetische (FePt)(100-x)Cu(x) -Schichten, ferromagnetische [Co/Pt]n -Multilagen sowie ferrimagnetische Fe(100-x)Tb(x) -Schichten.
Der Schwerpunkt der Untersuchungen lag dabei auf der Korrelation zwischen strukturellen und magnetischen Eigenschaften sowie im Einfluss der Nanostrukturierung auf das magnetische Verhalten der Schichten. In dieser Hinsicht wurden Aspekte der durch die Struktur bedingten magnetischen Anisotropie in Form von magnetokristalliner und Grenzflächenanisotropie betrachtet. Zudem wurde das Kopplungsverhalten zwischen einzelnen Strukturelementen in nanostrukturierten Schichten untersucht.
Aufbauend auf die Untersuchung der drei genannten Materialien wurden [Co/Pt]n und Fe(100-x)Tb(x) ausgewählt zum Aufbau eines Systems mit zwei magnetischen Komponenten: Fe(80)Tb(20) / [Co/Pt]10. Die Untersuchungen konzentrierten sich dabei auf die Morphologie der Grenzfläche zwischen den beiden Bestandteilen und deren Einfluss auf den Exchange Bias, der in diesem System vorliegt.
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