Dokument: Zeitaufgelöste Domänen-Bewegung in weichmagnetischen dünnen Schichtsystemen

Titel:	Zeitaufgelöste Domänen-Bewegung in weichmagnetischen dünnen Schichtsystemen
Weiterer Titel:	Time resolved domain-motions in softmagnetic thin films
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=10613
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20090325-131011-1
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Deutsch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Schiefer, Christian [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 6,53 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 11.03.2009 / geändert 11.03.2009
Beitragende:	Prof. Kisker [Gutachter] Prof. Getzlaff [Gutachter]
Stichwörter:	Domänenbewegung, weichmagnetische dünne Schichten, GMI, Moke
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik
Beschreibungen:	Weichmagnetische Materialien sind in den Anwendungsbereichen von magneti-schen Schaltkreisen, Transformatoren und in der Sensorik heute unabdingbar. Vor allem in der Sensorik und bei der magnetischen Datenspeicherung ist die Information von Bewegungsabläufen magnetischer Domänen in diesen Materia-lien von großer wissenschaftlicher Bedeutung. Neue Anwendungen, wie z. B. die des 'Racetracks'-Datenspeichers (s. Kap. 3.2) zeigen vielversprechende Möglichkeiten im Bereich der magnetischen Datenspeicherung und sind somit in den heutigen Forschungsaktivitäten sehr aktuell. Auch in der Magneto-Sen- sorik basieren die meisten Effekte auf Domänenbewegung in Abhängigkeit von äußeren Feldern und vom Stromfluss selbst. Vielfältig eingesetzt sind sog. 'Permalloy'-Materialien, die aus Nickel-Eisen-Legierungen bestehen und sich durch eine sehr hohe Permeabilität sowie geringes Koerzitivfeld auszeichnen. In dieser Arbeit werden gesputterte weichmagnetische amorphe Schichten ver-wendet, die in den gegenwärtigen Forschungsaktivitäten bisher eher eine ne-bensächliche Rolle spielen. Der Aufbau der Schichtstruktur ähnelt der eines Sandwichs, wobei dünne Schichten von CoFeBSi-Cu-CoFeBSi auf Silizium o-der Glas aufgebracht werden. Dabei eignen sich diese Schichtsysteme vorzüg-lich zur Forschung von Bewegungsabläufen von magnetischen Domänen und zur sensitiven Detektion von Magnetfeldern. Die amorphen weichmagnetischen Schichten zeichnen sich dadurch aus, dass sie eine durch die Präparationsbe-dingungen einstellbare magnetische Anisotropie besitzen, die durch keine Kristallanisotropie 'gestört' wird. Die Schichten wurden eingangs meiner Forschungsaktivität als Magnetfeldsen-soren verwendet, da sie für die Integration technischer Anwendungen besser geeignet sind als magnetische Fasern oder Drähte. Nach Entdeckung des 'Rie-sen-Magneto-Widerstands-Effekts' durch Peter Grünberg 1988 (Nobelpreis 2007) wurde vier Jahre später an einem amorphen Draht der 'Giant-Magneto-Impe- dance-Effekt' (GMI-Effekt (s. Kap. 3.1.1)) publiziert, der durch einen größeren Effekt mit einer höheren Empfindlichkeit gekennzeichnet ist. Gesputterte Fe- und Co-Schichten wurden zu Beginn dieser Arbeit hergestellt und charakterisiert, um einen möglichst hohen und empfindlichen GMI-Effekt zu erhalten. Zur Beurteilung der Schichten wurden mittels Rastertunnelmikroskopie (STM) die Oberfläche als auch Hystereseaufnahmen mit Hilfe des Kerr-Effektes untersucht (s. Kap. 5). Diese Schichtsysteme zeichnen sich durch eine glatte spiegelnde Oberfläche aus und sind daher für magnetooptische Untersuchun-gen bestens geeignet. Im Rahmen der Forschungsarbeiten in unserem Institut wurde ein weiterer Ef-fekt untersucht, bei dem die Domänenbewegung eine maßgebliche Rolle spiel-te. Beim Stromfluss durch die untere Hälfte eines magnetischen Streifens wur-de an der zweiten, vollkommen entkoppelten oberen Hälfte, eine Spannung gemessen, die u.a. von der Verdrillung abhängt. Die Hypothese, dass durch den Stromfluss in die obere Hälfte getriebene mag-netische Domänen einen Spannungssprung erzeugen, war nicht zuletzt der An-stoß, ihre Bewegung zu studieren. Ein konventionelles (einseitiges) Kerr-Mikroskop wurde um die Möglichkeit der rückseitigen Kerr-Mikroskopie ergänzt. Dadurch ist man in der Lage, sowohl die Ober- als auch die Grenzfläche zum Substrat hin gleichzeitig zu beobachten. Die Schichten wurden dafür speziell auf Glas als Substrat präpariert. Damit konnte die Frage beantwortet werden, wie sich die Domänen in einer Schicht bzw. in Schichtsystemen ausbilden. Zur statischen Domänen-Betrachtung wur-de zunächst eine herkömmliche Digitalkamera verwendet (s. Kap. 7). Mit dieser 'primitiven' Art von Messsystem können lediglich (statische) Zustände der Domänen, vor und nach dem Strompuls – was allerdings auch zu neuen Erkenntnissen führte – aufgezeichnet werden. Um aber wesentlich präzisere Aussagen über die Domänenbewegungen zu erzielen, wie z. B. die Bewegung während des Strompulses oder der Einfluss der Anstiegsflanke des Strompul-ses, wurde der Kerr-Aufbau weiterentwickelt. Ein stroboskopisches Messsystem wurde an den Kerr-Aufbau angekoppelt mit dessen Hilfe eine zeitliche Auflö-sung von 5ns erreicht werden konnte (s. Kap. 8). Der Vorteil – im Hinblick auf die industrielle Nutzung von Domänenbewegung – ist, dass bei dieser Messme-thode alle Bewegungsvorgänge notwendigerweise absolut reproduzierbar sein müssen. Solche strikt reproduzierbaren Domänenwandverschiebungen wurden tatsächlich beobachtet – sind offenbar das Normale unter den gegebenen expe-rimentellen Bedingungen. Für bestimmte Einstellungen des externen Magnet-feldes und des Strompulses lassen sich magnetische Domänen, sowohl vom Strom selbst (strominduziert) als auch von dessen erzeugten magnetischen Feld (magnetfeldinduziert), bewegen. Bei der strominduzierten Bewegung der Domänen handelt es sich um sto-chastische Prozesse welche nicht stroboskopisch erfasst werden können. Wäh-rend die magnetfeldinduzierte Bewegung die Domänen strikt reproduzierbar expandiert bzw. kontrahiert, verschiebt die strominduzierte Bewegung ganze Domänen in eine bestimmte Richtung um einen Betrag ∆x, so dass eine roll-treppenartigen Bewegung entsteht. Die unterschiedlichen Bewegungsszenarien wurden schon in den 70iger Jahren vorhergesagt, konnten jedoch bislang nur rudimentär verifiziert werden. Die Stromdichte bei diesen Bewegungsabläufen liegt dabei im Bereich von 107A/m2, im Vergleich dazu liegen die Stromdichten in Permalloy-Materialien um einen Faktor von ca. 1.000 höher. The wide range of applications for soft magnetic materials in electronic circuits, transformers and sensors make them very interesting for investigations. The knowledge of the underlying principals of domain wall movements is essential for further development in many areas of our daily life (e. g. sensors and mag-netic data storage systems). Although domain wall movements have been stud-ied for quite a long time, little work has been done on soft magnetic materials and therefore this field is still of high scientific significance. New experimental devices like 'racetrack' memories promise applications in magnetic data stor-age. The properties of magnetic sensors are directly linked to the properties of domain wall movements which depend on the magnetic property of the material, the external applied field and the current through the magnetic material. For sensor applications, magnetically soft materials are used, distinguished by a very small coercive field. The well-known prototype is Permalloy (Fe20Ni80). Ma-terials with much smaller coercive fields have been discovered about 30 years ago. These are amorphous alloys comprised of Co and/or Fe as the ferromag-netic components and B and Si as constituents to provide the amorphous struc-ture upon rapid quenching from the melt to room temperature. These materials are also referred to as metallic glasses (metglas). A typical composition is (Co94Fe0,06)72,5B15Si12,5, abbreviated commonly as CoFeBSi. Materials with coercive fields as low as 10-3Oe are commercially available. Due to the amor-phous structure, the materials lack of any kind of magnetic anisotropy that in other materials originates from their crystalline structure. Hence, the magnetic properties are exclusively governed by the interplay of purely magnetic ener-gies. In especially, as will be shown in this work, domain wall motion can be observed in an almost ideal environment in thin layers of this kind of materials. For the studies presented in this work we used layered thin film structures with a chopper layer in the middle between two CoFeSiB layers. This structure is deposited on top of silicon or glass substrates. These layered systems are par-ticular suitable to study magnetic domain movements and the detection of small magnetic fields. At the beginning of this work, these layers have been used as magnetic field sensors in our laboratory, since the integration in industrial application is easier with this system than with wires or fibres. Four years after the discovery of the Giant-Magneto-Resistance Effect by Peter Grünberg in 1988 (Nobelprice in 2007) the Giant-Magneto-Impedance Effect (GMI-effect (s. Chapter 3.1.1)) has been published, which shows a larger de-pendence on the magnetic field with a greater sensitivity. The present work fo-cuses on the preparation and characterisation of sputtered Fe and Co-layers in order to optimise the effect. Scanning Tunneling Microscopy (STM) was em-ployed to study the topography and the Magneto Optical Kerr Effect (MOKE) was used to gain further insight into the magnetic properties (see Chapter 5). The flat and highly reflective surface of the top layer makes this layer system an ideal system for magneto optical studies. Additionaly another effect where domain wall movements play an important role was investigated. This effect becomes evident when a current is send through a part of a metglas ribbon as a voltage that can be detected on an adjacent part of the ribbon which is free of electron current. This voltage is sensitive to tor-sion. Since it was suspected that the voltage observed between the contacts C and D is related to domain wall streaming from the current-carrying section between A and B a magneto-optical setup was adapted to observe time-resolved domain wall motions in these structures. However, the metglas ribbons used in the tor-sion sensors have a large micro-roughness preventing sensitive MOKE obser-vations. Accordingly, we used the sputtered thin film structures described above. Magnetic domains could be observed with a high contrast in these films, a prerequisite for time-resolved measurements. The link between the current induced domain wall movement and the voltage was studied. The originally available standard MOKE system was modified in such a way that both sides of the sample could be observed simultaneously. In order to achieve this we used glass as a substrate. This made it possible to address the question how domains behave in single layers or in layered systems. A conventional digi-tal video camera was used in order to study current induced domain wall movements (see Chapter 7). This kind of measurement technique is suitable to study the steady domain configuration before and after the current pulse. How-ever, further improvements of the MOKE system were necessary in order to get a better understanding of wall motions during the current pulse. Therefore, a stroboscopic measurement system was integrated into the MOKE system to achieve time resolutions down to 5ns (see Chapter 8). It will be shown that the domain wall motions have the advantage of a very high reproducibility, with po-tential industrial applications in mind. It was possible to find values for the ex-ternal field and the pulse amplitude to control and move the domain walls either only by the current (current induced motion) or by the external field (magnetic field induced motion). The current induced domain wall movement is not a reproducible process and cannot be investigated by stroboscopic measurements. The field-induced movement leads to reproducible expansion and contraction of domains whereas the current-induced movement moves whole domains. These different possibili-ties have been forecasted since about 30 years but verification was not com-plete. The current densities to induce these movements are in the order of 107A/m2 but they are about 1000 times smaller than in Permalloy.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik » Angewandte Physik
Dokument erstellt am:	25.03.2009
Dateien geändert am:	11.03.2009
Promotionsantrag am:	28.11.2008
Datum der Promotion:	22.01.2009