Zur Aufklärung der lokalen Magnetisierungs- und magnetischen Streufeldstruktur in ferromagnetischen und supraleitenden Materialien wurden magnetkraftmikroskopische (Magnetkraftmikroskopie-MFM) Untersuchungen durchgeführt und quantitativ ausgewertet. Für eine solch quantitative Auswertung muss der Einfluß der verwendeten MFM-Spitzen auf das MFM-Bild bestimmt und in geeigneter Weise subtrahiert werden. Hierzu wurden Spitzenkalibrierungsroutinen und ein Verfahren zur Entfaltung der gemessenen MFM-Daten implementiert, das auf der Wiener Dekonvolution basiert. Mit Hilfe dieser Prozedur können sowohl die räumliche Ausdehnung als auch die Größe der Streufelder direkt aus gemessenen MFM-Bildern bestimmt werden.
Gezeigt wurde diese Anwendung für die Durchmesserbestimmung von Blasendomänen in einer (Co/Pd)-Multilage und für die Bestimmung der temperaturabhängigen magnetischen Eindringtiefe in einem supraleitendem BaFe2(As0.24P0.76)2 Einkristall. Desweiteren konnte durch die Kombination von mikromagnetischen Rechnungen und der quantitativen MFM-Datenanalyse die Existenz einer dreidimensionalen Vortex-Struktur am Ende von Co48Fe52-Nanodrähten nachgewiesen
werden. Damit ist es gelungen die Tiefensensitivität der Magnetkraftmikroskopie erfolgreich in die Rekonstruktion der vermessenen Magnetisierungsstruktur einzubeziehen.:Introduction 6
1 Contrast formation in Magnetic Force Microscopy (MFM) 9
1.1 Type of interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.1.1 Relevant interaction forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.1.2 Magnetic interaction mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2 Basic magnetostatics of the tip-sample system . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.2.1 General magnetostatic expressions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.2.2 Description of the tip sample system . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.2.3 Magnetostatics in Fourier space . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2 Instrumentation 20
2.1 Scanning Force Microscopy (SFM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.1.1 Measurement principle and operation modes . . . . . . . . . . . . . 20
2.1.2 Dynamic mode SFM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2 Lift mode MFM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3 Non-contact MFM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.4 Vibrating Sample Magnetometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3 Quantitative Magnetic Force Microscopy 28
3.1 The challenge of MFM image inversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.1.1 Description of the problem and state of the art . . . . . . . . . . . 28
3.1.2 The point probe approximations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.1.3 The transfer function approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.2 Tip calibration: Adapted Wiener deconvolution . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.2.1 Details of the procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.2.2 Evaluation of possible errors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.3 Noise measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.4 MFM probes and their specific characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.5 Calibration samples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.6 Detection of tip-sample modification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4 Quantitative MFM with iron filled carbon nanotube sensors (Fe-CNT) 56
4.1 The monopole character of Fe-CNT sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.1.1 Calibration within the point probe approximation . . . . . . . . . . 57
4.1.2 Calibration results and discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.1.3 Quantitative MFM on a [Co/Pt]/Co/Ru multilayer . . . . . . . . . 62
4.2 Inplane sensitive MFM with Fe-CNT sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.2.1 Bimodal MFM technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.2.2 Comparison between calculated and measured in-plane contrast . . 66
5 Quantification of magnetic nanoobjects in MFM measurements 70
5.1 Bubble domains in a [Co/Pd]80 multilayer . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
5.1.1 Micromagnetic model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.1.2 MFM image simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.1.3 Results and discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
5.2 Quantitative assessment of the magnetic penetration depth in superconductors 78
5.2.1 Comparison of methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.2.2 Experimental determination of the temperature dependent penetration
depth in a BaFe2(As0:24P0:76)2 single crystal . . . . . . . . . . . 83
6 Magnetization studies of CoFe nanowire arrays on a local and global scale 87
6.1 Revisiting the estimation of demagnetizing fields in magnetic nanowire arrays 88
6.1.1 Available approaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6.1.2 Calculation of demagnetizing fields in nanowire arrays . . . . . . . . 91
6.2 Micromagnetic Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
6.3 Combination of demagnetizing field calculations and micromagnetic simulation100
6.4 Experimental details . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
6.5 Global hysteresis measurements of CoFe nanowire arrays with varying length 104
6.6 Local magnetic characterization of a CoFe nanowire array by quantitative
MFM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
6.6.1 Magnetic structure of individual nanowires . . . . . . . . . . . . . . 107
6.6.2 Magnetization reversal of the nanowire array . . . . . . . . . . . . . 110
6.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
Conclusions and Outlook 119
Bibliography 121
Acknowledgements 135
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:28182 |
| Date | 09 May 2014 |
| Creators | Vock, Silvia |
| Contributors | Schultz, Ludwig, Neu, Volker, Vázquez, Manuel, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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