Comparison of the magnetic properties of ferromagnetic films and nanostructures

Abstract

Diese Arbeit widmet sich den magnetischen Eigenschaften von ultradünnen magnetische Filmen, sowie magnetischen Nanostrukturen. Die Filme werden im Ultrahochvakuum mittels Sputterdeposition hergestellt. Die Nanostrukturen werden mit Elektronenstrahllithografie und Ionenätzen aus den Filmen erzeugt. Bei den untersuchten Proben handelt es sich um Pt/Co/Pt-Schichtsysteme. Dieses System zeichnet sich durch eine uniaxiale Anisotropie aus, welche abhängig von der Kobalt Schichtdicke aus der Filmebene heraus zeigt oder parallel zur Filmebene liegt. Es wurden temperaturabhängige Messungen der Anisotropie von Filmen durchgeführt für verschiedene Kobalt-Dicken und verschiedene Substrate. Die leichte Achse der Magnetisierung liegt in der Filmebene. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Anisotropie mit steigender Temperatur linear ansteigt. Das Vorzeichen der Steigung ist abhängig von der Co-Dicke. Bemerkenswert ist die positive Steigung bei dünnen Co-Schichten. Weiterhin wurde die Temperaturabhängigkeit der Grenzflächen- sowie der Volumenanisotropie bestimmt. Für die Ermittlung der Anisotropiekonstanten werden perfekte Grenzflächen angenommen. Es wird ein Model vorgestellt, welches den Einfluss einer Legierungsbildung an den Grenzflächen berücksichtigt. Es konnte gezeigt werden, dass die Legierungsbildung zu einer Reduzierung der Sättigungsmagnetisierung führt. Während der Einfluss auf die Volumenanisotropie vernachlässigbar ist, führt die Annahme scharfer Grenzflächen zu einer Überschätzung der Grenzflächenanisotropie. Für eine einzelne Nanostruktur wurde die dreidimensionale Schaltfläche gemessen. Diese weicht stark vom uniaxialen Anisotropiemodel ab. Frühere Simulationen von Staeck haben gezeigt, dass dieses Verhalten auf die lokale Kornstruktur zurückzuführen ist. Die Verkippung der Körner, führt zu einer Verkippung der einzelnen Anisotropiebeiträge. Die Temperaturabhängigkeit des Schaltfeldes sowie der Schaltfrequenz ergeben eine zu hohe Versuchsschaltfrequenz. Da dieses durch die Temperaturabhängigkeit der Anisotropie erklärt werden kann, wird letztere untersucht. Die Temperaturabhängigkeit wird vom ursprünglichen magnetischen Film übertragen, besitzt aber das falsche Vorzeichen, um die Abweichung der Versuchsschaltfrequenz zu erklären. Zusammenfassend zeigt diese Thesis, dass häufig vernachlässigte Eigenschaften, wie die Legierungsbildung an den Grenzflächen oder die lokale Kornstruktur, die magnetischen Eigenschaften von Filmen und Nanostrukturen beeinflusst und nicht ignoriert werden sollten.

This thesis deals with the magnetic properties of ultrathin Pt/Co/Pt films and nanostructures. The films are sputtered under high vacuum conditions. The nanostructures are then fabricated from the films by using electron beam lithography and argon ion milling. Pt/Co/Pt multilayers possess a uniaxial anisotropy that is either in-plane or out-of-plane, depending on the thickness of the cobalt layer. Pt/Co/Pt multilayers with an in-plane anisotropy are investigated and the temperature dependence of the magnetic anisotropy is measured. The Co thickness is varied, and the films are either sputtered on a silicon dioxide or silicon nitride substrate. At a Co thickness of 2nm the anisotropy increases linearly with increasing temperature for both substrates. For thicker films, the anisotropy decreases. Interface and volume anisotropy have been determined. The interface anisotropy linearly increases with increasing temperature, while the volume anisotropy decreases. Since the conventional method to determine the volume and interface anisotropy assumes that the interfaces between Co and Pt are perfect, a model is proposed that takes alloying at the interfaces, caused by interdiffusion, into consideration. Due to the alloying, the saturation magnetisation is reduced with increasing temperature, resulting in an increase of the anisotropy. The effect on the volume anisotropy is negligible. However, the conventional approach of using sharp interfaces, overestimates the interface anisotropy. For single magnetic nanostructures, the magnetisation behaviour has been investigated. The three-dimensional switching surface has been measured and a deviation from the uniaxial anisotropy model is found. It is known from previous simulations, that these deviation stem from a tilt between different anisotropy contributions, that is caused by the local grain structure. While measuring the temperature dependence of the switching field in the blocked regime and the switching frequency in the superparamagnetic regime, a too high attempt frequency of the Néel-Arrhenius law is found. Since the temperature dependence of the anisotropy can explain such a behaviour, the latter is measured. The temperature dependence is inherited from the initial film, possesses however the wrong sign to correct the too high attempt frequency. In conclusion, the thesis proves that often overlooked properties, like the interfaces in metallic multilayers or the tilting of the grains, can have a significant influence on the magnetic properties of films and nanostructures and should not be neglected.