Laser-induced manipulation of magnetic domains

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Die vorliegende Dissertation untersucht die Beeinflussung magnetischer Domänen mittels Laserstrahlung. Die eingesetzte Laserstrahlung dieant als ein Werkzeug mit welchem Wärme kontrolliert lokal eingebracht werden kann. Die Auswirkungen der Laserstrahlung werden anhand zweier Beispiele betrachtet: Einerseits an dünnen TbxFe100−x-Filmen, einem amorphen Ferrimagneten und andererseits an Fe60Al40, einem Material, dass je nach chemischer Ordnung ein unterschiedlich großes magnetisches Moment aufweist. Die TbFe-Proben werden zur Untersuchung des magnonischen Spin-Seebeck Effekts verwendet. Dieser Effekt beschreibt, wie mittels lokal erzeugter Wärme die Position einer Domänenwand beeinflusst und, als Folge dessen, das Gesamterscheinungsbild einer Domäne verändert wird. Im Falle der FeAl Proben kann mittels Wärme die chemische Ordnung der Atome gerstört oder wiederhergestellt werden. Im Falle eines ungeordneten chemischen Zustands entstehen magnetische Domänen, welche von Bereichen geringerer Magnetisierung umgeben sind. Der magnonische Spin-Seebeck Effekt ist eine von theoretischen Physikern gemachte Vorhersage, welcher zu Beginn lediglich auf ferromagnetische Systeme angewandt werden konnte. Der Effekt besagt, dass die Freie Energie einer ferromagnetischen Domänenwand mittels Wärme beeinflusst werden kann und im Falle höherer Temperaturen geringer ist. Dies hat zur Folge, dass eine Domänenwand durch eine Bewegung in Richtung wärmerer GebiFtexete ihre Freie Energie reduzieren kann. Es entsteht eine attraktive Wechselwirkung zwischen Wärmequelle und Domänenwand. In einem ferrimagnetischen System ist die Wechselwirkung zwischen Wärmequelle und Domänenwand jedoch komplexer. Während in einem Ferromagneten in erster Linie die Minimierung der Freien Energie die Triebfeder einer möglichen Be- 6wegung ist, spielt in einem Ferrimagneten die Wechselwirkung mit Magnonen eine deutlich größere Rolle. Aufgrund der unterschiedlichen Temperaturabhängigkeit der in einem Ferrimagneten vorliegenden Untergitter, spielt die Absoluttemperatur eine entscheidende Rolle für das magnetische Verhalten des Ferrimagneten. Das stark temperaturabhängige Verhalten des Ferrimagneten spiegelt sich auch bei der thermisch hervorgerufenen Domänenwandbewegung wider. So zeigt sich, dass die Geschwindigkeit einer Domänenwand, unter gleichbleibender externen Kraft, durch die Temperatur der Probe verändert werden kann. Die Maximalgeschwindigkeit fällt mit der Drehmomentskompensationstemperatur zusammen, einer charakteristischen Temperatur des ferrimagnetischen Systems. Diese Temperatur beschreibt den Punkt, an welchem sich die Drehmomente der beiden Untergitter kompensieren. In den in dieser Arbeit vorgestellten Experimenten wird ein fokussierter, linear polarisierter Dauerstrichlaser eingesetzt. Fokussierte Laserstrahlung bringt den Vorteil mit sich, Energie in Form von Wärme lokal gezielt einbringen zu können. Der Laser wird in den unterschiedlichen Experimenten auf eine unterschiedliche Größe fokussiert. Die Halbwertsbreite des Laserfokus variiert hierbei zwischen 0.5 µm und 8 µm. Die Größe des Laserfokus kann im Experiment sowohl durch unterschiedliche Objektive, als auch über die Distanz zwischen Objektiv und Probenoberfläche variiert werden. Weiterhin wird die Ausgangsleistung des Lasers sowie dessen räumliche Fluktuationen überwacht und korrigiert. Die Probe ist auf einem Lineartisch gelagert und kann dadurch in der Ebene senkrecht zum einfallenden Laserstrahl bewegt werden. Die Probenoberfläche sowie die magnetischen Domänen werden mithilfe eines magneto optischen Kerr Mikroskops sichtbar gemacht. Die aufgrund der einfallenden Laserstrahlung erzeugte Temperatur, als auch der daraus folgende thermische Gradient werden nicht gemessen, sondern mithilfe des Programms Comsol Multiphysics berechnet. Die im Verlaufe der Arbeit vorgestellten Messungen sind in zwei Bereiche unterteilt. Zuerst werden qualitative Messungen gezeigt, welche die mittels Laserstrahlung verursachte Domänenwandbewegung als auch deren Abhängigkeit von der Laserleistung zeigen. Es wird vorgeführt, dass sich eine Domänenwand über größere Strecken (> 50 µm) frei bewegen lässt. Die Domänenwand folgt hierbei zu jeder Zeit dem sich bewegenden Laserspot. Entsprechend der Bewegungsrichtung des Lasers kann eine ausgewählte magnetische Domäne auf Kosten der benachbarten Domäne vergrößert und verkleinert werden. Weiterhin wird gezeigt, dass die attraktive Wechselwirkung zwischen Laser und Domänenwand in einem weiten Laserleistungsbereich zu finden ist (8.5 mW≤ 55 mW). In Folge der qualitativen Beschreibung wird mithilfe einer abstandsabhängigen Annäherung des Laserspots und den per Comsol Multiphysics durchgeführten Temperaturberechnungen eine quantitative Beschreibung eingeführt. Hierbei wird untersucht, ab welcher Distanz zwischen Laserspot und Domänenwand eine Domänenwandbewegung einsetzt. Der gemessene Abstand wird als Domänenwand Dislokation (DWD) bezeichnet. Die Distanz DWD wird für verschiedene Laserleistungen bestimmt, wobei eine positive Abhängigkeit zwischen DWD und Laserleistung festgestellt wird. Als maximale Distanz wird ein DWD von 2.5 µm gemessen. Mithilfe der Temperaturberechnungen kann den gemessenen Distanzen DWD eine Temperatur und ein Gradient zugeordnet werden. Bei den Berechnungen scheint ein Trend in Richtung einer Temperatur von T ∼ 340 K und einem thermischen Gradienten von ∼ 85 K/µm erkennbar zu sein. Die Bestimmung einer kritischen Temperatur und eines kritischen thermischen Gradienten erweist sich jedoch als schwierig, da beide Größen durch die Laserstrahlung verursacht werden und somit untrennbar miteinander verbunden sind. Um dennoch eine unabhängige Betrachtung zu ermöglichen, wird ein Peltier-Element unterhalb der Probe angebracht. Dieses Element erlaubt es die, Probe auf eine sich von der Raumtemperatur unterscheidende Starttemperatur zu bringen, die sogenannte Basistemperatur. Das Laserheizexperiment beginnt somit mit einem durch die Basistemperatur definierbaren Temperaturversatz. Im Gegensatz zur aufgrund der Laserstrahlung verursachten Temperaturverteilung ist der thermische Gradient unabhängig von der Basistemperatur. Am Beispiel einer Tb26Fe74-Probe zeigt sich, dass eine zunehmende Basistemperatur die erzielte Lauflänge DWD positiv beeinflusst. Durch eine um 30 K erhöhte Basistemperatur kann die durch die Domänenwand zurückgelegte Strecke von 0.46 µm auf 1.36 µm verdreifacht werden. Um die mittels Basistemperatur veränderbare Lauflänge DWD zu erklären, werden zwei mögliche Effekte betrachtet. Hier wäre einerseits das Phänomen Pinning zu nennen. Pinning ist ein temperaturabhängiger Effekt, welcher als eine Art rückstellende Kraft verstanden werden kann. Diese rückstellende Kraft versucht, die Domänenwandbewegung zu unterbinden und die Wand an Ort und Stelle zu halten. Eine weitere Erklärungsmöglichkeit ist die Temperaturabhängigkeit des Ferrimagneten, welche sich auf die thermisch induzierte Domänenwandbewegung auswirkt. Um den Ursprung der Lauflängenvergrößerung zu bestimmen wird die Anzahl der untersuchten Proben erweitert. Die Auswirkungen einer veränderbaren Basistemperatur werden an TbxFe100−x-Proben unterschiedlicher Stöchiometrie (18% ≤ x ≤ 34%) untersucht. Dies geschieht mit dem Gedanken, dass Pinning eine materialabhängige Größe ist und somit stark von den Herstellungsbedingungen beeinflusst wird. Die untersuchten Proben wurden jedoch alle unter gleichen Bedingungen hergestellt. Sollte also lediglich ein Teil der getesteten Proben eine Vergrößerung der Lauflänge bei zunehmender Basistemperatur zeigen, so kann Pinning als Verursacher ausgeschlossen werden. Die Lauflängenzunahme müsste in einem solchen Fall mit dem temperaturabhängigen Verhalten des Ferrimangeten erklärt werden. Die durchgeführten Untersuchungen zeigen, dass lediglich ein Teil der Proben einen positiven Effekt aufweisen. Auffallend ist hierbei, dass ein klarer Bruch zu erkennen ist. Alle Probenmit einem Tb-Gehalt von x ≥ 26 at.% weisen eine Zunahme der Lauflänge bei ansteigender Basistemperatur auf. Dies ist auffallend, da nur diese Proben eine Drehmomentkompensationstemperatur oberhalb der Raumtemperatur zeigen. Es wird somit angenommen, dass die basistemperaturabhängige Lauflängenveränderung mit der Temperaturabhängigkeit des Ferrimagneten zu erklären ist. Im Falle der FeAl Proben wird die durch einen Laser verursachte Temperaturerhöhung als Triebfeder eingesetzt. Die Temperaturerhöhung verstärkt hierbei die atomaren Diffusionsprozesse, welche in erster Linie aufgrund der Lücken im atomaren Gitter stattfindet. Das Material FeAl kann in unterschiedlichen Anordnungen des atomaren Gitters auftreten, zwischen denen mittels Diffusion hin und zurück gewechselt werden kann. Es gibt die geordnete B2- und die ungeordnete A2-Konfiguration, welche sich in ihren magnetischen Eigenschaften unterscheiden. Die ungeordnete A2-Konfiguration weist beispielsweise ein stärkeres magnetisches Moment als die B2-Konfiguration auf. Zur Erzeugung von Unordnung wird Laserinterferenzstrukturierung eingesetzt. Bei der Laserinterferenzstrukturierung wird ein intensiver Laserstrahl aufgeteilt und die Einzelteile auf der Probe mit gleicher Intensität und Polarisation sowie gleichem Einfalls- und Raumwinkel überlagert. Die Einzelstrahlen interferieren und es entsteht eine periodische Intensitätsverteilung, welche eine entsprechende Temperaturverteilung verursacht. Aufgrund des Vierstrahl-Interferenzmusters können auf der bestrahlten Probe magnetische Inseln beobachtet werden, welche sich von ihrer Umgebung in der Stärke ihres magnetischen Signals unterscheiden. Die magnetischen Inseln ähneln hierbei im Aussehen Einzeldomänenzuständen. Bei genauerer Betrachtung wird sichtbar, dass die magnetischen Bereiche größer sind als die detektierbaren Oberflächenveränderungen. Mithilfe der mittels Comsol Multiphysics durchgeführten Temperaturberechnungen zeigt sich, dass die Oberflächenveränderungen durch ein Schmelzen des Materials zu erklären sind. Die ungeordnete A2-Konfiguration hingegen entsteht nur in einem Temperaturintervall unterhalb der Schmelztemperatur. Um die Reversibilität des Übergangs zu untersuchen, werden die Proben mithilfe eines Hochvakuumofens geglüht und anschließend erneut untersucht. Die Untersuchung zeigt eine durch den Glühvorgang hervorgerufene Abnahme des magnetischen Signals. Die Abnahme wird als Rückführung in den geordneten B2-Zustand interpretiert.

Fachgebiet (DDC)
530 Physik
Schlagwörter
Optik, Magnetismus, Magnonischer Spin Seebeck Effekt, thermisch induzierte Domänenwandbewegung
Konferenz
Rezension
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Zitieren
ISO 690GRAUS, Philipp, 2020. Laser-induced manipulation of magnetic domains [Dissertation]. Konstanz: University of Konstanz
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July 17, 2020
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Konstanz, Univ., Diss., 2020
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