Publikation: Current-induced Domain Wall Dynamics Probed by Electrical Transport Measurements
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Zusammenfassung
During the last decades, the rising need for data storage devices exhibiting high storage density, fast access times, long data retention and a low power consumption inspired research on new materials and novel memory concepts [PHT08; Cow+07; Xu+08; Pav+97]. Amongst other approaches the magnetic hard disk drive [MFC06] is probably the best known data storage device. Its basic concept is the interpretation of information (bits 0 and 1) encoded in magnetic domains whose magnetization is pointing in either the left/right or up/down direction. The information is read and written using read/write heads, which are mounted on cantilever arms moving above the spinning magnetic disks. Based on the same storage concept, the MRAM and racetrack memory technology introduced novel mechanisms of manipulating the magnetic domains and especially the domain walls using electric currents, which are directly injected into the magnetic material. Hereby, the access time and power consumption could be drastically reduced since no mechanical components are required. Furthermore, the virtually unlimited endurance and data retention is kept for which the magnetic hard disk drive is well known.
This opened a new field of research, called spintronics, focusing on the interaction of spin polarized currents with magnetic domains and especially their interaction with domain walls separating the domains from each other. For applications, a number of domain walls need to be shifted at the same time by the same distance in order to keep
the size of the domains and therefore the stored information. However, this turned out to be experimentally challenging since several mechanisms such as Joule heating, Oersted field effects and spin torque are involved in the current-induced domain wall motion.
Until now, two main spin torques, the adiabatic [Ber78] and non-adiabatic [ZL04; Thi+05] spin torque, acting on the domain walls have been theoretically and experimentally identified allowing for an efficient manipulation of the magnetization on the nanoscale. In experiments a strong dependence of these torques on the material composition and the magnetization configuration (in-plane or out-of-plane) has been found. First results on in-plane magnetized nanostructures exhibiting wide and complex domain wall structures revealed current-induced domain wall motion requiring large critical current densities (> 1 · 1012 A/m2) [Kl¨a+05; Hey+09], which is accompanied by Joule heating effects. Thus the interest shifted to out-of-plane magnetized materials for which large non-adiabatic contributions due to narrow domain walls were predicted. These non-adiabatic effects are expected to significantly lower the necessary current densities and should lead to higher domain wall velocities. For a quantitative comparison of the experiments the dimensionless non-adiabaticity parameter was introduced being directly proportional to the domain wall velocity. Nevertheless, a vast variety of different and partly contradicting values has been found, highlighting the importance of detailed and fundamental studies of the mechanisms involved in current-induced domain wall motion and their dependence on the material compositions.
Besides Joule heating effects, the local injection of a charge current into nanowire structures also leads to the creation of an concentric magnetic field (Biot-Savart-law), the Oersted field, which is commonly used to manipulate the local magnetization [Ilg+08; You08] and nucleate domain walls [Koy+11; Ued+11; Koy+08; NIA11; Fuk+10; Tan+11;
Chi+10; Ohs+11]. However, on the nanoscale, high currents are needed to create sufficiently large magnetic fields. These injected current densities are drastically increasing when the wire dimensions are further reduced thus causing unwanted Joule heating effects.
In this thesis, measurements for the characterization of different magnetic materials suitable for spintronic applications are presented. Furthermore, new methods for separating the contribution of spin torque, Oersted field and Joule heating effects to the current-induced domain wall dynamics are introduced. Finally, the non-adiabaticity parameter is determined in various systems. The last part of this thesis deals with experiments using low current densities to significantly lower the effects of Joule heating. At room temperature, the investigation of thermally activated magnetization dynamics allows to test the validity and robustness of two independent approaches to extract the non-adiabaticity parameter at the same time on one sample.
Zusammenfassung in einer weiteren Sprache
Der Bedarf an immer besseren Speichermedien für die rasant anwachsende Anzahl an Informationen erweckte ein reges Interesse an neuen Speicherkonzepten. So entstand ein neues Forschungsfeld, die Spintronic. Ein Teilbereich dieser neuen Forschung beschäftigt sich mit der gezielten Manipulation von magnetischen Domänen mittels injizierten spin-polarisierten Strömen. Von großem Interesse sind hierbei die Übergangsbereiche zwischen den magnetischen Domänen, die so genannten Domänenwände. Die Forschungsergebnisse der letzten Jahre zeigen, dass mehrere Faktoren zur strominduzierten Domänenwandbewegung beitragen. Hierbei sind folgende Faktoren relevant: Joule-Wärme, Oersted-Feld-Effekte und vor allem die Spintransfer-Effekte (adiabatisch und nicht-adiabatisch).
Die vorliegende Arbeit befasst sich zuerst mit dem Aufbau einer Messapparatur zur Detektion von strominduzierten Domänenwandbewegungen und der Separation der zugrunde liegenden Faktoren. In Bezug auf spintronische Anwendungen ist vor allem die Bestimmung des nicht-adiabatischen Spintransfers von großem Interesse, da durch diese schnelle Domänenwandbewegungen ermöglicht werden. Der Nicht-adiabatizitäts-Faktor dient hierbei als eine quantitative Größe (je größer desto schneller die Domänenwand). Zunächst steht die Charakterisierung von ferromagnetischen Nanostrukturen mittels des Magnetowiderstandes im Vordergrund. Hierzu wurden die untersuchten Materialien zunächst in zwei Klassen eingeteilt: Die in-der-Ebene magnetisierten Materialien und diejenigen, deren Magnetisierung senkrecht zur Ebene ausgerichtet sind. Die Heusler-Legierung Co2FeAl0.4Si0.6, welche der ersten Klasse zugeordnet wurde, zeigte während der Studien temperaturabhängige anisotropische Magnetowiderstandsänderungen, sowie einen temperaturabhängigen, asymmetrischen planaren Hall-Effekt. Der erstere Effekt wird vermutlich durch Spannungen im Material ausgelöst. Der zweite Effekt tritt im Zusammenhang mit speziellen kristallographischen Strukturen auf, die generell bei Heusler-Legierungen präsent sind. Allerdings können in diesem Material Domänenwand-Positionen nicht einfach detektiert werden, so dass keine Studien zu strominduzierter Domänenwandbewegung durch geführt wurden.
Die zweite Klasse der Materialien hingegen zeigte ausgeprägte extraordinäre Hall-Effekte, mittels derer sich die Präsenz von Domänwanden in Hall-Kreuz-Geometrien nachweisen ließen. Genauere Untersuchungen des extraordinären Hall-Effektes ergaben eine starke Abhängigkeit von den Grundelementen der jeweiligen Zusammensetzung der Materialien. Jedoch unabhängig vom Grundelement, Platin oder Nickel, zeigte sich die Präsenz von Skew-Streuungs-Effekten und den kombinierten intrinsischen und Side-Jump-Effekt in den Temperaturbereichen mit konstanter Sättigungsmagnetisierung. Die Erweiterung der Multilagen mit CoFeB zeigt eine Verstärkung aller Effekte. Abschließend beschäftigt sich die Arbeit mit dem eigentlichen Ziel, der strominduzierten Domänenwandbewegung. Basierend auf den Grundlagen früherer Forschungsarbeiten wurde ein Ansatz zur Separation der Mechanism, die an der Domänenwandbewegung beteiligt sind, mittels Symmetrieabhängigkeiten der einzelnen Faktoren erstellt. Dies ermöglicht die Bestimmung des Anteils des Spintransfers sowohl für ein Co/Pt Multilagenmaterial als auch für weitere Materialien basierend auf Nickel. Ein dominanter nicht-adiabatischer Spintransfer wurde, hier im Falle des Co/Pt Multilagenmaterials, gefunden und die Nicht-adiabatizitäts-Konstante = 0.24 bestimmt, die eine gute Übereinstimmung mit vorangegangenen Experimenten zeigt. Für das Co/Ni Multilagematerial hingegen wurde ein dominanter adiabatischer Spintransfer bestimmt, welcher eine hohe Stromdichte im Bereich von 1 · 1012 A/m2 benötigt. Das letzte Experiment konzentrierte sich auf thermischaktivierte Domänenwandbewegungen bei geringen Stromdichten um die Joule-Wärme-Effekte zu reduzieren. Die gleichzeitige Änderung von Strom und externen Magnetfeldern erlaubt es zwei voneinander unabhängige Ansätze zur selben Zeit an der gleichen Proben zu testen. Die Ergebnisse zeigen, dass sich die durch diese Ansätze bestimmten Nicht-adiabatizitäts-Faktoren gravierend unterscheiden. Dieses Verhalten kann auf die Ungenauigkeiten bei der Bestimmung auswertungskritischer Parameter aus den experimentellen Daten zurück geführt werden. Desweiteren zeigt sich, dass auf eindimensionalen Modellen basierende Analysen kritisch betrachtet werden müssen, wenn zweidimensionale Dynamiken, wie die Bewegung einer Domänenwand innerhalb eines Drahtes, untersucht werden. Die im Verlauf der Arbeit erhaltenen Ergebnisse zeigen deutlich, dass die einzelnen Faktoren, die der strominduzierten Domänenwandbewegung zugrunde liegen, relativ einfach zu separieren sind. Es existieren jedoch starke Abhängigkeiten von den verwendeten Materialien. Eine genauere Bestimmung der einzelnen Materialparameter und deren Einfluss auf die einzelnen Faktoren ist hierbei der Schlüssel zur Entwicklung von effektiven spintronischen Anwendungen.
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HEINEN, Jan, 2012. Current-induced Domain Wall Dynamics Probed by Electrical Transport Measurements [Dissertation]. Konstanz: University of KonstanzBibTex
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Its basic concept is the interpretation of information (bits 0 and 1) encoded in magnetic domains whose magnetization is pointing in either the left/right or up/down direction. The information is read and written using read/write heads, which are mounted on cantilever arms moving above the spinning magnetic disks. Based on the same storage concept, the MRAM and racetrack memory technology introduced novel mechanisms of manipulating the magnetic domains and especially the domain walls using electric currents, which are directly injected into the magnetic material. Hereby, the access time and power consumption could be drastically reduced since no mechanical components are required. Furthermore, the virtually unlimited endurance and data retention is kept for which the magnetic hard disk drive is well known.<br /><br />This opened a new field of research, called spintronics, focusing on the interaction of spin polarized currents with magnetic domains and especially their interaction with domain walls separating the domains from each other. For applications, a number of domain walls need to be shifted at the same time by the same distance in order to keep<br />the size of the domains and therefore the stored information. However, this turned out to be experimentally challenging since several mechanisms such as Joule heating, Oersted field effects and spin torque are involved in the current-induced domain wall motion.<br /><br /><br /><br />Until now, two main spin torques, the adiabatic [Ber78] and non-adiabatic [ZL04; Thi+05] spin torque, acting on the domain walls have been theoretically and experimentally identified allowing for an efficient manipulation of the magnetization on the nanoscale. In experiments a strong dependence of these torques on the material composition and the magnetization configuration (in-plane or out-of-plane) has been found. First results on in-plane magnetized nanostructures exhibiting wide and complex domain wall structures revealed current-induced domain wall motion requiring large critical current densities (> 1 · 1012 A/m2) [Kl¨a+05; Hey+09], which is accompanied by Joule heating effects. Thus the interest shifted to out-of-plane magnetized materials for which large non-adiabatic contributions due to narrow domain walls were predicted. These non-adiabatic effects are expected to significantly lower the necessary current densities and should lead to higher domain wall velocities. For a quantitative comparison of the experiments the dimensionless non-adiabaticity parameter was introduced being directly proportional to the domain wall velocity. Nevertheless, a vast variety of different and partly contradicting values has been found, highlighting the importance of detailed and fundamental studies of the mechanisms involved in current-induced domain wall motion and their dependence on the material compositions.<br /><br />Besides Joule heating effects, the local injection of a charge current into nanowire structures also leads to the creation of an concentric magnetic field (Biot-Savart-law), the Oersted field, which is commonly used to manipulate the local magnetization [Ilg+08; You08] and nucleate domain walls [Koy+11; Ued+11; Koy+08; NIA11; Fuk+10; Tan+11;<br />Chi+10; Ohs+11]. However, on the nanoscale, high currents are needed to create sufficiently large magnetic fields. These injected current densities are drastically increasing when the wire dimensions are further reduced thus causing unwanted Joule heating effects.<br /><br /><br /><br />In this thesis, measurements for the characterization of different magnetic materials suitable for spintronic applications are presented. Furthermore, new methods for separating the contribution of spin torque, Oersted field and Joule heating effects to the current-induced domain wall dynamics are introduced. Finally, the non-adiabaticity parameter is determined in various systems. The last part of this thesis deals with experiments using low current densities to significantly lower the effects of Joule heating. 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