Imaging and Switching Individual Nanomagnets with Spin-Polarized Scanning Field Emission Microscopy

Abstract

Electrons can be ripped out of a solid by a high electric field, thereby generating an emission current, which is spin-polarized when using a magnetic emitter. Although field emission is routinely used for microscopy purposes, the question remained open how it affects magnetism on the local scale. In this thesis, a novel spin-sensitive local probe technique called spin-polarized scanning field emission microscopy (SP-SFEM) is described that reveals the microscopic details of the interaction between spin-polarized field-emitted electrons and atomic-scale magnets. Antiferromagnetic field emitter tips made of bulk Cr are used. They are characterized on the well-known system of the combined Fe mono- and double layer on W(110) by spin-polarized scanning tunneling microscopy and spectroscopy at variable temperature. The experiments reveal that these tips are typically sensitive to all the in-plane and out-of-plane components of surface magnetism over a wide bias voltage and temperature range. By approaching a biased Cr tip to a surface down to nm distance in vacuo, a very local injection of field-emitted electrons is achieved, and scanning allows for magnetic imaging by spin-polarized field emission conductance measurements. Using this technique I investigate nanomagnets consisting of only about 50 Fe atoms on a W(110) substrate. Detailed lifetime analyses of their thermally-activated magnetization switching as a function of emission current display that spin-polarized field emission generates considerable Joule heating and spin-transfer torque in the nanomagnet. Comparative analyses with hot field-emitted and low-energy tunneling electrons reveal significant differences in the respective microscopic processes involved in heat dissipation and spin-transfer torque. A trend of higher spin-transfer torque switching efficiency per electron with increasing current is observed for field emission, presumably due to the emergence of Stoner excitations, that are inaccessible for low-energy tunneling electrons. On a quasistable nanomagnet, a spin-polarized emission current of a few nA already triggers magnetization reversal, thereby confirming the high impact of field-emitted spins on magnetism at the local scale. This work demonstrates the capability of SP-SFEM for magnetic imaging and controlled magnetization switching on the atomic scale at nm distances.

Wird ein hohes elektrisches Feld an eine scharfe Magnetnadel angelegt, so lösen sich Elektronen heraus, die einen spin-polarisierten Strom erzeugen. Obwohl feld-emittierte Elektronen in vielen Abbildungsmethoden routinemäßig zum Einsatz kommen, blieben ihre mikroskopischen Wechselwirkungen mit einem magnetischen Festkörper im Detail bislang ungeklärt. In dieser Arbeit wird eine neue ortsauflosende und magnetisch empfindliche Abbildungs- und Untersuchungsmethode beschrieben, die spin-polarisierte Rasterfeldemissionsmikroskopie genannt wird. Sie erlaubt einen detaillierten Einblick in die fundamentalen Wechselwirkungsprozesse eines Feldemissionsstromes mit einem Magneten auf atomarer Skala. Als spin-polarisierte Elektronenquelle dient hierbei erstmals ein Emitter aus einem antiferromagnetischen Material, nämlich Cr. Diese Voll-Cr-Spitzen werden zunächst auf dem wohlverstandenen Materialsystem der kombinierten Fe-Mono-und -Doppellage auf W(110) mittels spin-polarisierter Rastertunnelmikroskopie und -spektroskopie bei variabler Temperatur charakterisiert. Es wird gezeigt, dass sie typischerweise auf alle Magnetisierungsrichtungen im Raum empfindlich sind, sowohl über einen großen Spannungs- als auch über einen großen Temperaturbereich. Wird eine Cr-Spitze bei angelegter Spannung bis auf einen Abstand von einigen Nanometern an eine Oberfläche im Vakuum angenähert, so werden feld-emittierte Elektronen sehr lokal injiziert, und das kontaktlose Führen der Spitze über die Oberfläche erlaubt ein magnetisches Abbilden über ortsaufgelöste Messungen der spin-abhängigen Leitfähigkeit. Es werden einzelne Nanomagnete untersucht, die nur aus etwa 50 Fe-Atomen auf einem W(110)-Substrat bestehen und thermisch aktiviert zwischen zwei magnetischen Orientierungen schalten. Die Analyse ihrer stromabhängigen Lebensdauern offenbart ein beträchtliches Joule‘sches Aufheizen des Nanomagneten durch den Feldemissionsstrom, sowie ein Spinstromschalten durch den Spinübertrag der feld-emittierten Elektronen. Vergleichende Analysen der Lebensdauern unter dem Einfluss von niederenergetischen tunnelnden bzw. höherenergetischen feld-emittierten Elektronen decken fundamentale Unterschiede in den jeweiligen zugrundeliegenden mikroskopischen Prozessen auf. Dabei wird eine immer höhere Schalteffizienz pro Elektron durch Spinübertrag mit zunehmendem Feldemissionsstrom beobachtet, was sich durch die Ausbildung von Stoner-Anregungen erklären lässt, die für tunnelnde Elektronen unzugänglich sind. Ein quasistabiler Nanomagnet kann bereits mit einem Feldemissionsstrom von einigen nA zur Magnetisierungsumkehr gezwungen werden, wodurch der immense Einfluss feld-emittierter Elektronen-Spins auf den lokalen Magnetismus veranschaulicht wird. Die vorliegende Arbeit demonstriert das Potential der spin-polarisierten Rasterfeldemissionsmikroskopie bezüglich des Abbildens und gezielten Manipulierens von Magnetismus auf atomarer Skala und in Abstanden von einigen Nanometern.