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Mario Brands :
Dissertation angenommen durch: Universität Duisburg-Essen, Campus Duisburg, Fachbereich Physik, 2005-11-14
BetreuerIn: Prof. Dr. Günter Dumpich , Universität Duisburg-Essen, Campus Duisburg, Fachbereich Physik
GutachterIn: Prof. Dr. Günter Dumpich , Universität Duisburg-Essen, Campus Duisburg, Fachbereich Physik
GutachterIn: Prof. Dr. Marika Schleberger , Universität Duisburg-Essen, Campus Duisburg, Fachbereich Physik
Schlüsselwörter in Deutsch: Magnetowiderstand, Ummagnetisierung, Lokalisierung, Domänenwandwiderstand, AMR
Schlüsselwörter in Englisch: magnetoresistance, switching, localization, domain wall, AMR
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Abstrakt in Deutsch
In der vorliegenden Arbeit wird der Einfluss der Magnetisierung
auf das Widerstandsverhalten nanoskaliger ferromagnetischer
Leiterbahnen untersucht, wobei eine quantitative Bestimmung des
Domänenwandwiderstands (DWR) einzelner Domänenwände und die
Analyse von Quantentransportphänomenen im Vordergrund stehen. Dazu
werden zwei verschiedene Probensysteme hergestellt, zum einen
in-plane magnetisierte Kobalt-Leiterbahnen und zum anderen
(Co/Pt)_n-Multilagen-Leiterbahnen mit senkrechter magnetischer
Anisotropie. Die Leiterbahnen werden durch Kombination
hochauflösender Mehrschritt-Elektronenstrahllithografie mit
Lift-Off-Technik und Elektronenstrahlverdampfung hergestellt. Zum
Schutz vor Oxidation werden die Schichten zum Teil in situ
mit elektrisch isolierendem Kohlenstoff
abgedeckt.
Der Magnetowiderstand bei tiefen Temperaturen wird durch den
Anisotropen Magnetowiderstand (AMR) dominiert. Durch Variation der
Magnetfeldorientierung gelingt eine Charakterisierung der
Magnetisierungszustände und der Ummagnetisierungsprozesse in
Abhängigkeit z.B. der Leiterbahnbreite und -dicke. Für in-plane
magnetisierte Kobalt-Leiterbahnen kann dabei durch geeignete
laterale Strukturierung ein definiertes Domänenwandpinning
nachgewiesen werden. Die Messungen zum DWR zeigen jedoch, dass der
Widerstand einer einzelnen Domänenwand durch den AMR dominiert
ist. Dagegen können in (Co/Pt)_n-Multilagen mit senkrechter
magnetischer Anisotropie solche AMR-Beiträge vernachlässigt
werden. Der DWR einer einzelnen Domänenwand bei T = 4,2 K
liefert hier einen positiven Wert, mit DWR ~ 2,5%.
Die Ergebnisse werden auf der Basis eines Modells spinabhängiger
Potentialstreuung quantitativ erklärt; ein auf Delokalisierung
beruhender negativer DWR wird
nicht beobachtet.
Im temperaturabhängigen Widerstandsverhalten der
Leiterbahnen wird ein logarithmischer Widerstandsanstieg zu tiefen
Temperaturen hin gefunden, der auf erhöhte Elektron-Elektron
Wechselwirkungseffekte (EEI) in zwei Dimensionen zurückgeführt
wird. Durch Reduktion der Leiterbahnbreiten bis auf 32 nm wird ein
Übergang von zwei- zu eindimensionalem Verhalten in Bezug auf
EEI-Effekte beobachtet. Widerstandskorrekturen aufgrund schwacher
Lokalisierung (WEL) werden selbst bei systematischer Variation der
Schichtdicke, des Materials und der Unordnung des Systems
nicht gefunden. Erstmals gelingt zudem die Beobachtung von
Quantenkorrekturen in einer ferromagnetischen
(Co/Pt)_n-Multilagen-Leiterbahn mit senkrechter magnetischer
Anisotropie. Auch hier werden aber ausschließlich Beiträge der
erhöhten Elektron-Elektron Wechselwirkung identifiziert. Die
Abwesenheit von schwacher Lokalisierung im Widerstandsverhalten
wird auf lokale Inhomogenitäten der Magnetisierung zurückgeführt.
Abstrakt in Englisch
Within the present thesis the influence of the magnetization on
the resistance behavior of ferromagnetic nanowires is
investigated. Special emphasis lies on the quantitative
determination of the domain wall resistance (DWR) of single
domain walls and the analysis of quantum transport phenomena. For
this, two systems of in-plane magnetized Co-nanowires and
out-of-plane magnetized (Co/Pt)_n-multilayer-nanowires are
investigated. The nanowires are fabricated using a combination of
both high-resolution multi-step electron beam lithography with
lift-off-technique and electron beam evaporation. Some of the
wires are capped in situ with
insulating carbon to protect them from oxidation.
The magnetoresistance at low temperatures is dominated by the
anisotropic magnetoresistance (AMR). Upon variation of the
orientation of the magnetic field both the characterization of the
magnetic configuration and the relevant magnetization reversal
processes as a function of the wire thickness and width are
obtained. For in-plane magnetized cobalt nanowires domain wall
pinning is accomplished by means of lateral nanostructuring.
However, the resistance of a single domain wall can be mainly
attributed to the AMR. For (Co/Pt)_n-multilayers with
perpendicular magnetic anisotropy contributions from the AMR can
be excluded and the resistance of a single domain wall at
T = 4,2 K is positive with DWR ~ 2,5%. The positive
MR is explained quantitatively within a model incorporating
spin-dependent scattering, whereas a negative MR
resulting from delocalization of electrons is not observed.
The low temperature resistance behavior of the ferromagnetic
nanowires shows deviations from the classical resistance behavior
of a typical metal such that the resistance exhibits a logarithmic
increase with decreasing temperature, which can be attributed to
quantum corrections due to enhanced electron-electron interactions
(EEI) in two dimensions. Upon reduction of the wire width down to
32 nm a cross-over from two- to one-dimensional behavior with
respect to EEI-contributions is observed. The data analysis does
not yield corresponding resistance corrections due to weak
electron localization (WEL). Even by systematic variations of both
the wire thickness and the material as well as the degree of
disorder WEL-effects remain undetected. Moreover, quantum
corrections for ferromagnetic (Co/Pt)_n-multilayer-wires with
perpendicular magnetic anisotropy are analyzed for the first time,
for which also only contributions from enhanced electron-electron
interactions are found. The absence of weak localization effects
in polycrystalline nanowires is explained by local inhomogeneities
of the magnetization.
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