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.:Kurzfassung
Abstract
1 Einführung
2 Grundlagen
2.1 Ferromagnetismus
2.2 Magnetische Domänen
2.3 Magnetooptischer Kerr-Effekt
2.4 Anisotroper Magnetowiderstand
2.5 TRIDYN
2.6 Spinwellen in magnonischen Kristallen
2.7 Brillouin-Lichtstreuung
3 Experimentelle Details
3.1 Duale Kerrmikroskopie mit gleichzeitiger Widerstandsmessung
3.1.1 Realisierung von Kerrmikroskopie mit simultaner Widerstandsmessung
3.1.2 Erweiterung zur dualen Kerrmikroskopie
3.2 Berechnung des Magnetowiderstandes
3.3 Röntgenzirkulardichroismus (XMCD)
3.4 Vibrationsmagnetometrie (VSM)
3.5 Röntgendiffraktometrie (XRD)
3.6 Röntgenreflektometrie (XRR)
3.7 Ummagnetisierungskurven erster Ordnung (FORC)
3.8 Brillouin-Lichtstreumikroskopie (BLS)
4 Anisotroper Magnetowiderstand in Hybridproben
4.1 Herstellung magnetischer Hybridproben durch Implantation
4.2 AMR von unstrukturiertem Permalloy mit induzierter Anisotropie
4.3 Modifikation des AMR durch Strukturierung
4.3.1 Streifenstrukturen senkrecht zur Stromrichtung
4.3.2 Zusammengesetze Streifenstruktur senkrecht und parallel zur Strom-
richtung
4.3.3 Abhängigkeit des AMR von der Streifenbreite bei zusammengesetz-
ten Streifenstrukturen
4.4 Einfluss der reduzierten Sättigungsmagnetisierung auf den AMR
4.5 Einfluss der Anisotropien auf den AMR
4.6 Nutzung der AMR Berechnung zur gezielten Manipulation des Widerstandes
4.7 Abhängigkeit des AMR vom Feldwinkel
5 Erzeugung eines Anisotropiegradienten durch Ionenimplantation
5.1 Herstellung eines senkrecht zur Ebene magnetisierten Materials
5.2 Simulation der Eindringtiefe der Ionen mit TRIDYN
5.3 Messungen der Rauigkeit
5.4 Messungen des Ummagnetisierungsverhalten
5.5 Domänenbetrachtung und Schaltfeldverteilung
6 Magnetisierungsveränderung durch Ionenimplantation
6.1 Herstellung eines Spinwellenleiters und eines magnonischen Kristalls
6.2 Messungen der Sättigungsmagnetisierung
6.3 Messungen der Spinwellenfrequenz
7 Zusammenfassung
8 Anhang
Literaturverzeichnis
Veröffentlichungen
Danksagung / 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.:Kurzfassung
Abstract
1 Einführung
2 Grundlagen
2.1 Ferromagnetismus
2.2 Magnetische Domänen
2.3 Magnetooptischer Kerr-Effekt
2.4 Anisotroper Magnetowiderstand
2.5 TRIDYN
2.6 Spinwellen in magnonischen Kristallen
2.7 Brillouin-Lichtstreuung
3 Experimentelle Details
3.1 Duale Kerrmikroskopie mit gleichzeitiger Widerstandsmessung
3.1.1 Realisierung von Kerrmikroskopie mit simultaner Widerstandsmessung
3.1.2 Erweiterung zur dualen Kerrmikroskopie
3.2 Berechnung des Magnetowiderstandes
3.3 Röntgenzirkulardichroismus (XMCD)
3.4 Vibrationsmagnetometrie (VSM)
3.5 Röntgendiffraktometrie (XRD)
3.6 Röntgenreflektometrie (XRR)
3.7 Ummagnetisierungskurven erster Ordnung (FORC)
3.8 Brillouin-Lichtstreumikroskopie (BLS)
4 Anisotroper Magnetowiderstand in Hybridproben
4.1 Herstellung magnetischer Hybridproben durch Implantation
4.2 AMR von unstrukturiertem Permalloy mit induzierter Anisotropie
4.3 Modifikation des AMR durch Strukturierung
4.3.1 Streifenstrukturen senkrecht zur Stromrichtung
4.3.2 Zusammengesetze Streifenstruktur senkrecht und parallel zur Strom-
richtung
4.3.3 Abhängigkeit des AMR von der Streifenbreite bei zusammengesetz-
ten Streifenstrukturen
4.4 Einfluss der reduzierten Sättigungsmagnetisierung auf den AMR
4.5 Einfluss der Anisotropien auf den AMR
4.6 Nutzung der AMR Berechnung zur gezielten Manipulation des Widerstandes
4.7 Abhängigkeit des AMR vom Feldwinkel
5 Erzeugung eines Anisotropiegradienten durch Ionenimplantation
5.1 Herstellung eines senkrecht zur Ebene magnetisierten Materials
5.2 Simulation der Eindringtiefe der Ionen mit TRIDYN
5.3 Messungen der Rauigkeit
5.4 Messungen des Ummagnetisierungsverhalten
5.5 Domänenbetrachtung und Schaltfeldverteilung
6 Magnetisierungsveränderung durch Ionenimplantation
6.1 Herstellung eines Spinwellenleiters und eines magnonischen Kristalls
6.2 Messungen der Sättigungsmagnetisierung
6.3 Messungen der Spinwellenfrequenz
7 Zusammenfassung
8 Anhang
Literaturverzeichnis
Veröffentlichungen
Danksagung
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:28225 |
| Date | 17 December 2015 |
| Creators | Osten, Julia |
| Contributors | Lenz, Kilian, Fassbender, Jürgen, McCord, Jeffrey, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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