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Spinabhängiger Transport in epitaktischen Fe-Leiterbahnen auf GaAs(110)

Hassel, Christoph

In der vorliegenden Arbeit wird der spinabhängige Transport in epitaktischen Fe-Leiterbahnen und in senkrecht zur Schichtebene magnetisierten Multilagen-Leiterbahnen untersucht. Im Vordergrund stehen Untersuchungen zur schwachen Lokalisierung, dem Domänenwandwiderstand und der strominduzierten Domänenwandbewegung. Epitaktische Fe-Leiterbahnen werden ausgehend von epitaktischen Schichten mittels Elektronenstrahllithografie hergestellt. Durch die intrinsischen magnetischen Anisotropien besteht im Gegensatz zu polykristallinen Leiterbahnen die Möglichkeit, transversal magnetisierte Leiterbahnen herzustellen. Die Magnetkraftmikroskopie wird eingesetzt, um den magnetischen Zustand einzelner Leiterbahnen abzubilden. Das Ummagnetisierungsverhalten dieser Leiterbahnen wird ausführlich mit Hilfe von Magnetowiderstandsmessungen, die durch den Anisotropen Magnetowiderstand (AMR) bestimmt und mit mikromagnetischen Rechnungen erklärt werden, charakterisiert. Erstmals werden Quantentransportphänomenene an epitaktischen Fe-Leiterbahnen bei Temperaturen bis herab zu 20 mK untersucht. Diese Messungen zeigen unabhängig von der Leiterbahnbreite und -orientierung keine Beiträge von schwacher Lokalisierung. Die Ergebnisse können quantitativ durch die erhöhte Elektron-Elektron Wechselwirkung erklärt werden. Bei Verringerung der Leiterbahnbreite wird außerdem der Beginn des Übergangs von zweidimensionalem zu eindimensionalem Verhalten in Übereinstimmung mit der Theorie gefunden. Zur Bestimmung des Domänenwandwiderstandes wird in verschiedenen Strukturen gezielt eine unterschiedliche Zahl von Domänenwänden eingebracht, wobei aufgrund des epitaktischen Probensystems verschiedene Domänenwandgeometrien untersucht werden. Hierzu wird zum einen eine auf dem Magnetkraftmikroskop basierte Methode verwendet, zum anderen der Einfluss der Formanisotropie auf die Koerzitivfelder von Leiterbahnen ausgenutzt. Nach Berücksichtigung von AMR-Beiträgen mit Hilfe mikromagnetischer Rechnungen wird ein Widerstandsanstieg von 0.2% innerhalb der Domänenwand bei Zimmertemperatur und von 0.4% bei 4.2 K gefunden. Diese Werte können mit einem theoretischen Modell spinabhängiger Streuung erklärt werden. Die strominduzierte Domänenwandbewegung, die als Grundlage nichtflüchtiger Speicherelemente vorgeschlagen wurde, wird nicht nur in epitaktischen Fe-Leiterbahnen, sondern zusätzlich in Multilagensystemen mit senkrechter Anisotropie untersucht. Mit Magnetkraft- und Kerr-Mikroskopie nachgewiesene Domänenwandbewegungen können mit dem Oersted-Feld und der Temperaturerhöhung aufgrund des Strompulses erklärt werden. Einflüsse des Spin-Torque-Effektes werden nicht beobachtet.

In the present thesis, the spin dependent transport in epitaxial Fe wires as well as in perpendicularly magnetized multilayer wires is investigated. The main focus is on the investigation of quantum transport phenomena, the domain wall resistance as well as the current induced domain wall motion. Epitaxial Fe wires are prepared from epitaxial Fe films by means of electron beam lithography. Because of the intrinsic magnetic anisotropy, it is possible to prepare wires with a remanent transversal magnetization. Magnetic force microscopy is used to image the magnetic state of single wires. The magnetization reversal behaviour of these wires is investigated in detail using magnetoresistance measurements. These measurements are dominated by effects of the anisotropic magnetoresistance and can be explained by micromagnetic calculations. For the first time, quantum transport phenomena in epitaxial Fe wires are studied by magnetoresistance measurements for temperatures down to 20 mK. These measurements clearly indicate that, independent of the wire width and orientation, no contribution due to weak electron localization can be observed. The results are quantitatively explained within the framework of enhanced electron-electron interactions. Furthermore, by reducing the wire width the onset of the transition from two-dimensional to one-dimensional behaviour is found. To determine the domain wall resistance, a different number of domain walls is created in various structures, whereby the epitaxial samples allow to investigate different domain wall structures. First, a technique based on the stray field of a magnetic force microscope tip is presented. Furthermore, the influence of the shape anisotropy on the coercive field of single wires is used. Contributions to the observed resistance change due to the anisotropic magnetoresistance are calculated using micromagnetic simulations. A positive intrinsic relative resistance increase of 0.2% within the domain wall is found at room temperature and 0.4% at 4.2 K. These values can be explained within a theoretical model considering spin-dependent scattering. Current induced domain wall motion, which is the basic principle of a recently proposed non-volatile memory, is studied in epitaxial Fe wires and, additionally, in multilayer-wires with perpendicular magnetic anisotropy. By means of magnetic force microscopy and Kerr microscopy, the movement of domain walls due to injected current pulses is observed. This effect can be explained by the influence of the Oersted field or the increased temperature due to the current pulses. No contributions of the Spin-Torque effect are observed within the measurements.

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Hassel, Christoph: Spinabhängiger Transport in epitaktischen Fe-Leiterbahnen auf GaAs(110). 2009.

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