Publikation: Spin Structure of Domain Walls and Their Behaviour in Applied Fields and Currents
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In this thesis, the spin structure of domain walls in confined magnetic elements was determined and the behaviour of domain walls on the application of external magnetic fields and current pulse injection was observed. For this, magnetic elements of various shapes, materials, and substrates were prepared which were each dedicated to the purpose of the experiment. Different fabrication techniques were described, including several patterning processes and contacting of magnetic elements for current-pulse experiments. The spin structure of transverse walls in constrictions down to 30nm in permalloy wavy lines was measured using electron holography. It is known that the domain wall spin structure influences both the magnetoresistance and spin transfer torque effects. For the transverse walls, three different types were determined and the domain wall width was found to decrease faster than linearly with decreasing constriction width. The magnetic fields needed to depin the domain walls from such constrictions were measured using magnetoresistance measurements and were directly related to the domain wall spin structure. While an approach was made to image the spin structure of patterned thin films of the halfmetal CrO2 coupled to a permalloy thin film using photoemission electron microscopy (PEEM), a complicated coupling mechanism between the two layers was observed. The spin structure of an array of crossed wires corresponding to an array of holes (antidots) in a cobalt thin film was investigated to understand the switching behaviour on the application of an external magnetic field. It was found that switching occurs by the nucleation and propagation of domain chains, and the moving chain ends can be pinned when they meet the ends of perpendicular domain chains or are blocked due to the formation of a 360° domain wall when they approach a perpendicular domain chain. The current-induced domain wall motion in contacted permalloy wires on membrane samples was studied using electron holography. Effects due to the spin torque were separated from heating effects on the domain wall due to the current. A variety of effects such as domain wall transformations, domain wall jumping between two pinning sites, or structural changes of the magnetic material crystallites due to the combined influence of current pulses and heating was observed. A set of indicators was derived to distinguish current-induced domain wall motion due to the spin torque from the heating effects.
Zusammenfassung in einer weiteren Sprache
In dieser Arbeit wurde die Spinstruktur von Domänenwänden in magnetischen Nanostrukturen und das Verhalten dieser Domänenwände unter dem Einfluß von magnetischen Feldern und elektrischen Strompulsen untersucht. Dazu waren magnetische Nanostrukturen nötig, die sich in Geometrie, Material, und verwendetem Substrat unterschieden, und die dem jeweiligen Zweck des Experiments angepaßt waren. Verschiedene Herstellungsmethoden wurden aufgeführt und einige Strukturierungsprozesse vollständig beschrieben. Die Spinstruktur von transversen Domänenwänden in Konstriktionen, die sich in Permalloy-Drähten befanden und die bis auf 30nm verkleinert werden konnten, wurde mittels Elektronenholografie gemessen. Es ist bekannt, daß die Spinstruktur der Domänenwand den Magnetowiderstand und auch den Spin-Torque-Effekt beeinflußt. Es wurden 3 verschiedene Typen transverser Wände gefunden, deren Domänenwandbreite schneller als linear mit der Konstriktionsbreite fiel. Durch Magnetowiderstandsmessungen wurden die magnetischen Felder bestimmt, die nötig waren, um die Domänenwände von den Konstriktionen wegzubewegen, und die Stärke dieses Feldes wurde mit der Spinstruktur in Verbindung gebracht. Es wurde versucht, die Spinstruktur von strukturierten dünnen Filmen aus dem Halbmetall CrO2 mit Photoemissionselektronenmikroskopie (PEEM) abzubilden. Bei diesem Versuch wurde ein komplizierter Kopplungsmechanismus zwischen dem CrO2-Film und einer darauf deponierten dünnen Schicht Permalloy beobachtet. Die Spinstruktur von einem dünnen Cobalt-Film mit einem Lochmuster (Antidot) wurde abgebildet, um das Umklappverhalten in einem externen magnetischen Feld zu verstehen. Dabei stellte sich heraus, daß das Umklappen durch Nukleation und Propagation von Domänenketten erfolgt. Diese sich bewegenden Domänenketten können gepinnt werden, wenn sie auf die Enden von senkrecht dazu laufende Domänenketten treffen, oder geblockt werden, indem sie mit senkrecht dazu laufenden Domänenketten eine 360° Domänenwand bilden. Permalloy-Drähte wurden auf Membranproben aufgebracht und kontaktiert, um strom-induzierte Domänenwandpropagation mittels Elektronenholografie zu beobachten. Spin-Torque-Effekte wurden von Effekten aufgrund thermischer Anregung unterschieden. Eine Reihe von Effekten wie Domänenwandtransformation, Domänenwandsprünge zwischen 2 Pinningzentren und sogar strukturelle Änderung der magnetischen Kristallite können durch die thermische Anregung durch den Strom ausgelöst werden. Indikatoren wurden abgeleitet, damit zwischen strominduzierter Domänenwandpropagation, die auf den Spin-Torque-Effekt zurückzuführen sind, und Effekten aufgrund thermischer Anregung unterschieden werden kann.
Fachgebiet (DDC)
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BACKES, Dirk, 2008. Spin Structure of Domain Walls and Their Behaviour in Applied Fields and Currents [Dissertation]. Konstanz: University of KonstanzBibTex
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