Modification and nanostructuring of magnetic materials by ion irradiation
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In this work the modification of magnetic materials by ion irradiation and the application of this method to nano-structure magnetic media were investigated. Both aspects are of relevance for magnetic recording applications where the fine tuning of the magnetic material parameters and the creation of well-defined magnetic patterns are crucial for a further increase of the areal storage density.
The first part reports on magnetic pattern creation by local ion irradiation. Stripe patterns of 250 nm periodicity were created in a Co/Pd multilayer thin film by focused ion beam irradiation using Ga^+ at negligible surface recession by sputtering. The magnetic reversal behavior of the irradiated medium was investigated using magnetooptical Kerr effect magnetometry and magnetic force microscopy. Most notably, a stripe pattern of alternating magnetization direction was observed at remanence. Its nature can be understood considering a reduced magnetic anisotropy in the irradiated regions such that their magnetization can be reversed by the stray fields of the neighboring nonirradiated areas. To further support this interpretation micromagnetic simulations were performed. Using appropriate (effective) material parameters the characteristic features of the reversal behavior of the stripe pattern could be reproduced. Thus, the simulations confirm the formation of magnetostatically induced alternating magnetization patterns in a medium where the magnetic properties are altered locally. The simulations further support the formation of these patterns at even smaller scales.
In the second part the modification of the magnetic properties of magnetic materials by ion irradiation was studied in detail for granular CoCrPt:SiO_2 thin films exposed to Co^+ irradiation. Irradiation simulations were performed beforehand to optimize the ion energy for a maximum impact within the magnetic layer of the samples and evaluate the induced structural damage. Their results indicate a vertical mixing of the magnetic and nonmagnetic layers as well as lateral mixing across the grain boundaries. The irradiated samples were characterized using superconducting quantum interference device magnetometry, magnetooptical Kerr effect magnetometry and magnetic force microscopy. In general, the irradiation was found to affect the perpendicular anisotropy and the intergranular exchange coupling in the medium. This is indicated by a drop in coercivity, a reduction of the switching field distribution and an increase of the typical domain width with increasing irradiation fluence. The transformation from a Stoner-Wohlfarth like to a Kondorski-like reversal behavior observed in the angular dependence of the magnetic reversal further confirms the increase of the intergranular exchange coupling. To assist the interpretation of the experimental results micromagnetic simulations of the reversal behavior of granular media were performed for an extensive range of material parameters. The evolution of the experimental results as a function of fluence could be reproduced qualitatively by reducing the uniaxial anisotropy and increasing the intergranular exchange. Hence, the simulations support the modification of these material parameters as deduced from the experimental observations.
The work concludes with a brief investigation on the influence of magnetostatic interactions on the switching field distribution in arrays of magnetic nanostructures by means of micromagnetic simulations. The width of the distribution was found to be independent of the anisotropy and to depend on the geometry of the array and the saturation magnetization only. A hyperbolic dependence of the switching field distribution on the spacing of the array elements was observed. Its exponent was found to depend on the size of the single elements. The study thereby confirms experimental observations of significant contributions of magnetostatic interactions to the broadening of the switching field distribution in high density nanoparticle arrays.
Zusammenfassung in einer weiteren Sprache
In der vorliegenden Arbeit wurde die Modifikation magnetischer Materialien durch Ionenbestrahlung und die Anwendung dieser Methode zur Nanostrukturierung magnetischer Medien untersucht. Beide Aspekte sind für die Zukunft der magnetischen Datenspeicherung von Bedeutung. Eine gezielte Anpassung der Materialeigenschaften und die Herstellung magnetischer Strukturen und Muster sind dabei für eine weitere Erhöhung der Speicherdichte ausschlaggebend.
Der erste Teil behandelt die Herstellung magnetischer Muster durch lokale Ionenbestrahlung. Durch fokussierte Ionenbestrahlung mit Ga^+ wurden in einem Co/Pd Mehrschichtfilm Streifenmuster mit 250 nm Periodizität erzeugt. Die Abtragung der Oberfläche war dabei vernachlässigbar gering. Das Ummagnetisierungsverhalten dieser Struktur wurde mittels Magnetooptischer Kerr Effekt Magnetometrie und Magnetkraftmikroskopie untersucht. Insbesondere wurde in Remanenz ein Muster mit abwechselnder Magnetisierungsrichtung beobachtet. Diese Konfiguration kann durch eine reduzierte Anisotropie der bestrahlten Bereiche erklärt werden, derart dass ihre Magnetisierung durch das Streufeld der benachbarten unbestrahlten Bereiche umgekehrt werden kann. Zur Unterstützung dieser Interpretation wurden mikromagnetische Simulationen durchgeführt. Durch Wahl geeigneter (effektiver) Materialparameter konnten die Charakteristika des Ummagnetisierungsverhaltens der Streifenmuster qualitativ reproduziert werden. Damit bestätigen die Simulationen die Ausbildung magnetostatisch induzierter, alternierender Magnetisierungsmuster in einem Medium, dessen magnetische Eigenschaften lokal verändert wurden. Die Simulationen unterstützen darüber hinaus die Ausbildung dieser Muster auf noch kleineren Längenskalen.
Im zweiten Teil wurde an granularen CoCrPt:SiO_2 Dünnschichtfilmen die Modifikation der magnetischen Materialeigenschaften durch Ionenbestrahlung mit Co^+ untersucht. Die Ionenenergie wurde mittels Simulationen der Ionenbestrahlung auf eine maximale Einwirkung innerhalb der magnetischen Schicht der Proben optimiert. Die Simulationsergebnisse liefern auch eine Abschätzung der strukturellen Schäden. Sie zeigen eine vertikale Durchmischung der magnetischen und nichtmagnetischen Schichten sowie eine laterale Vermischung über die Korngrenzen hinweg an. Die bestrahlten Proben wurden mittels Superconducting Quantum Interference Device Magnetometrie, Magnetooptischer Kerr Effekt Magnetometrie und Magnetkraftmikroskopie charakterisiert. Allgemein wurde eine Veränderung der senkrechten Anisotropie und der intergranularen Austauschkopplung festgestellt. Hierauf deuten der beobachtete Abfall der Koerzitivität, die Reduktion der Breite der Schaltfeldverteilung und die Zunahme der charakteristischen Domänengröße mit zunehmender Bestrahlungsfluenz hin. Die Winkelabhängigkeit des Ummagnetisierungsverhaltens zeigte einen Übergang von einem Stoner-Wohlfarth-artigen zu einem Kondorski-artigen Verhalten, welcher die Zunahme der intergranularen Austauschkopplung bestätigt. Ergänzend wurden mikromagnetische Simulationen des Ummagnetisierungsverhaltens granularer Medien für einen weiten Bereich von Materialparametern durchgeführt. Die Entwicklung der experimentellen Beobachtungen als Funktion der Bestrahlungsfluenz konnte durch Reduktion der uniaxialen Anisotropie und Erhöhung der intergranularen Austauschkopplung qualitativ wiedergegeben werden. Somit unterstützen die Simulationen die aus den experimentellen Beobachtungen gefolgerte Veränderung der Materialparameter.
Abschließend wird der Einfluss magnetostatischer Wechselwirkungen auf die Schaltfeldverteilung in regelmäßigen Anordnungen magnetischer Nanostrukturen anhand mikromagnetischer Simulationen kurz diskutiert. Die Breite der Schaltfeldverteilung erwies sich als unabhängig von der Anisotropie. Lediglich von der Sättigungsmagnetisierung und der Geometrie der Anordnung wurde eine Abhängigkeit festgestellt. Als Funktion des Elementabstands zeigte diese einen hyperbolischen Verlauf, dessen Exponent von der Größe der einzelnen Nanostrukturen abhängt. Die Studie bestätigt damit experimentelle Beobachtungen eines signifikanten Beitrags der magnetostatischen Wechselwirkung zur Verbreiterung der Schaltfeldverteilung in Nanostruktur-Anordnungen hoher Dichte.
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TIBUS, Stefan, 2010. Modification and nanostructuring of magnetic materials by ion irradiation [Dissertation]. Konstanz: University of KonstanzBibTex
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To further support this interpretation micromagnetic simulations were performed. Using appropriate (effective) material parameters the characteristic features of the reversal behavior of the stripe pattern could be reproduced. Thus, the simulations confirm the formation of magnetostatically induced alternating magnetization patterns in a medium where the magnetic properties are altered locally. The simulations further support the formation of these patterns at even smaller scales.<br /><br /><br />In the second part the modification of the magnetic properties of magnetic materials by ion irradiation was studied in detail for granular CoCrPt:SiO_2 thin films exposed to Co^+ irradiation. Irradiation simulations were performed beforehand to optimize the ion energy for a maximum impact within the magnetic layer of the samples and evaluate the induced structural damage. Their results indicate a vertical mixing of the magnetic and nonmagnetic layers as well as lateral mixing across the grain boundaries. The irradiated samples were characterized using superconducting quantum interference device magnetometry, magnetooptical Kerr effect magnetometry and magnetic force microscopy. In general, the irradiation was found to affect the perpendicular anisotropy and the intergranular exchange coupling in the medium. This is indicated by a drop in coercivity, a reduction of the switching field distribution and an increase of the typical domain width with increasing irradiation fluence. The transformation from a Stoner-Wohlfarth like to a Kondorski-like reversal behavior observed in the angular dependence of the magnetic reversal further confirms the increase of the intergranular exchange coupling. 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