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Elektrische Detektion der Spindynamik in einzelnen ferromagnetischen Nanostrukturen

Reckers, Nathalie

Die vorliegende Dissertation über Magnetisierungsdynamik in Nano- und Mikrometerstrukturen ist in zwei Bereiche gegliedert. Im ersten Teil wird der Spin-Transfer-Torque (SST) Effekt in (Co/Ni)-Multilagen untersucht, da diese besonders für die nicht flüchtige Datenspeicherung durch magnetoresistive Datenspeicher (MRAM) interessant sind. Die untersuchten Säulenstrukturen (50 nm x 300 nm x 18 nm) bestehen aus einer ferromagnetischen (Co/Ni)-(Co/Pt)-Multilagen-Schicht mit harter Magnetisierung (Polarisator) und einer weichmagnetischen (Co/Ni)-Multilagen-Schicht (Analysator), die durch eine nicht magnetische Cu-Schicht getrennt sind. Der SST-Effekt äussert sich durch magnetisches Schalten der Magnetisierung des Analysators und in einer stetigen Präzession dessen Magnetisierung. Eine gezielte Einstellung von beiden Zuständen ist möglich. Besonderer Vorteil der (Co/Ni)-Multilagen ist dabei die senkrechte Anisotropie, die die kritische Stromdichte für das magnetische Schalten erniedrigt und somit die Lebensdauer solcher Bauelemente verlängert. Zudem ist die Änderung des Riesenmagnetowiderstand (GMR) und die SST-Effizienz im Vergleich zu (Co/Pt)-Multilagen grösser. Eine weitere interessante Anwendung ist als nanoskalige Quelle für Mikrowellenstrahlung. Die Mikrowellenanregung mit einem Kurzschluss-Kabel ermöglicht eine Untersuchung der Eigenfrequenz bei stetiger Präzession der Magnetisierung, die über die Änderung des GMR-Effekts aufgrund der senkrechten Anisotropie nicht möglich ist. Im zweiten Teil wurde die Magnetisierungsdynamik in einzelnen ferromagnetischen Leiterbahnen mittels DC elektrischer Detektion der ferromagnetischen Resonanz untersucht. Der anisotrope Magnetowiderstand wird zur Untersuchung der Permalloy-Leiterbahn (1 μm/600 nm/300 nm x 20 nm x 78 μm) ausgenutzt. Ein maximaler Effekt wird in leichter und schwerer Richtung erwartet. Von besonderem Interesse sind neben der quasi uniformen Mode der Präzession die nicht uniformen Moden z.B. Spinwellen. Ein detailliertes Verständnis dieser ist für Anwendungen jeglicher Art entscheidend in denen Ummagnetisierungprozesse stattfinden. Durch eine systematische Untersuchung der Leiterbahn und ihrer relativen Orientierung bezüglich des externen Magnetfeldes konnte erstmals das Modenverhalten mit externem Magnetfeld senkrecht zur langen Leiterbahnachse mit dem einer parallelen Ausrichtung verglichen werden. Ein deutlich komplizierteres Modenverhalten ist entdeckt worden.

This thesis about magnetization dynamics in nano- and micro sized structures is divided into two parts. In the first part the Spin-Transfer-Torque (SST) effect in (Co/Ni)-multilayers was investigated, because of their possible application in nonvolatile data storage media like the magneto resistive random access memory (MRAM). The studied pillarstructures (50 nm x 300 nm x 18 nm) consist of a ferromagnetic (Co/Ni)-(Co/Pt)-multilayer with a fixed magnetization (polarizer) and a (Co/Ni)-multilayer with a free magnetization (analyzer), separated by a non-magnetic spacer layer of Cu. The SST-effect manifests in magnetic switching of the free magnetization and in a steady state precession of the free magnetization. Both states can be selected on purpose. One advantage of (Co/Ni)-multilayer is the perpendicular anisotropy, which reduces the critical current density for magnetic switching and increases the life time of such components. In addition the change of the giant magnetoresitance (GMR) and the SST-efficiency is higher as in (Co/Pt)-multilayer. A further interesting application is a nanoscaled source of microwaves. The microwave excitation due a shorted coaxial cable allows to investigate the eigenfrequency during the steady state precession. This is not possible by means of the change in GMR effect because of the perpendicular anisotropy. In the second part the magnetization dynamics of single ferromagnetic nanowires were investigated utilizing DC electrically detected ferromagnetic resonance. The anisotropic magnetoresistance is exploited to study a Permalloy wire (1 μm/600 nm/300 nm x 20 nm x 78 μm). The maximal effect is expected in easy and hard direction. Besides the quasi uniform mode of the precession especially the non-uniform modes e.g. spin waves are of interest. A detailed understanding of such modes is crucial for every application exploiting the reversal of magnetization. Due to a systematic investigation of the nanowire and its relative orientation relative to the external magnetic field it is possible for the first time to compare the behavior of the modes with external magnetic field perpendicular to the long wire-axis with the one in parallel configuration. This behavior of the modes is a lot more complicated.

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Reckers, Nathalie: Elektrische Detektion der Spindynamik in einzelnen ferromagnetischen Nanostrukturen. 2014.

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