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Open Access
Zeitauflösende Röntgentransmissionsmikroskopie an magnetischen Mikrostrukturen
(2007) Puzic, Aleksandar; Schütz, Gisela (Prof. Dr.)
Drei stroboskopische Messverfahren zur zeitaufgelösten Abbildung der Magnetisierungsdynamik in Festkörpern mittels magnetischer Röntgentransmissionsmikroskopie (MTXM) wurden entworfen. Diese Methoden wurden an zwei verschiedenen Röntgenmikroskopen implementiert, nämlich an einem abbildenden Röntgentransmissionsmikroskops (ITXM) und am rasternden Röntgentransmissionsmikroskop (STXM) des Elektronenspeicherrings Advanced Light Source in Berkeley, USA. Die Röntgenoptik dieser Mikroskope, in Form von Fresnelschen Zonenplättchen, ermöglicht eine laterale Auflösung von derzeit 30 nm. Die Abbildung magnetischer Strukturen basiert auf dem elementspezifischen Kontrast des magnetischen Röntgenzirkulardichroismus (XMCD). Die aufgebauten Messverfahren wurden bei der Untersuchung des dynamischen Verhaltens ferromagnetischer Mikrostrukturen erfolgreich experimentell angewandt. Eine Zeitauflösung von deutlich unter 100 ps wurde erreicht. Zuerst implementiertes Anrege-Abtast-Verfahren (pump-probe) beruht auf der breitbandigen Anregung der Magnetisierung mit schnellen Magnetfeldpulsen und der ortsaufgelösten Abtastung der Impulsantwort mit kurzen fokussierten Röntgenblitzen. Die gepulsten Magnetfelder werden von einer Mikrospule bzw. einer Mikrostreifenleitung durch das Einprägen kurzer elektrischer Pulse mit kleiner Anstiegszeit (~ 100 ps) induziert. Als zweite Messmethode wurde die Technik der ortsaufgelösten ferromagnetischen Resonanz (SR-FMR) realisiert. Dieses zum Pump-Probe-Messprinzip komplementäre Verfahren wurde für Untersuchungen der Magnetisierungsdynamik in der Frequenzdomäne benutzt. Aufgrund der erzielbaren hohen Amplituden der Anregungsfelder eignet sich diese Methode besonders für die Untersuchungen nichtlinearer magnetodynamischer Vorgänge. Schließlich wurde als drittes Messverfahren die Anregung mit kurzen Schwingungszügen (Bursts) des hochfrequenten Magnetfeldes implementiert. Diese Methode stellt eine Kombination der beiden ersten Anregungsverfahren dar. Die magnetischen Proben können damit wahlweise aus ihrem Grundzustand oder einem bereits eingeschwungenen Zustand angeregt werden. Die Funktionsfähigkeit und die Eignung der entworfenen Methoden wurden durch Abbildung lokaler Dynamik in mikrostrukturierten ferromagnetischen dünnen Schichten und Dreischichtstapeln demonstriert. Die untersuchten magnetischen Elemente sind kreisförmig oder rechteckig mit Durchmessern bzw. Seitenlängen im Bereich von 1 µm und Schichtdicken von 20 bis 50 nm. Die geometrische Form bestimmt hauptsächlich die Domänenstruktur dieser Plättchen. In der Probenebene bildet sich stets ein geschlossener Magnetisierungsfluss. Infolge der Austauschwechselwirkung entsteht in der Probenmitte ein magnetischer Wirbel mit senkrecht aus der Probenebene ragendem Wirbelkern, der in einem Bereich mit Größenordnung von 20 nm entweder nach oben oder nach unten zeigt. Durch die Anwendung des Pump-Probe-Verfahrens konnte gezeigt werden, dass das dynamische Spektrum ferromagnetischer Mikrostrukturen mehrere Eigenmoden besitzt. Im Bereich hoher Frequenzen (einige GHz) wurde die schnelle Präzession der Magnetisierung in den Domänen verifiziert. Mit der Methode der ortsaufgelösten FMR sind magnetostatische Spinwellen selektiv angeregt und mit einer Zeitauflösung von 50 ps abgebildet worden. In den Domänenwänden rechteckiger Proben sowie im Bereich des magnetischen Wirbels konnten langsamere und stark lokalisierte Präzessionsmoden inhomogener Magnetisierung abgebildet werden. Bei der hochfrequenten Anregung der kreiselnden (gyrotropen) Bewegung des Wirbels konnte ein Schalten der Orientierung (der Polarität) des Wirbelkerns beobachtet werden. Für reproduzierbares Umschalten wurden magnetische Flussdichten im Bereich von einem Millitesla benötigt. Die sind damit um zwei Größenordnungen kleiner als die zum Umklappen des Wirbelkerns benötigten statischen Magnetfelder. Zum dynamischen Schalten erforderliche Feldamplituden weisen einen scharf ausgeprägten Schwellenbereich auf, dessen Breite von der Größenordnung des Erdmagnetfeldes ist. Die Auswertung von 20 größtenteils unabhängig voneinander hergestellten Proben hat offenbart, dass Wirbel bei denen das Schalten der Polarität bei kleinen Feldamplituden auftritt, in ihrem bevorzugten Grundzustand nach der Anregung die gleiche Händigkeit aufweisen, obwohl sie unmittelbar nach der Herstellung die Händigkeit gleichverteilt links- und rechtshändig war. Gyrotrope Bewegung des Magnetisierungswirbels wurde auch lagenselektiv in zwei gekoppelten magnetischen Strukturen eines Dreischichtstapels abgebildet. Das Umschalten der Orientierung des Wirbelkerns wurde ebenfalls in der weicheren magnetischen Schicht des Stapels nachgewiesen. Das entdeckte Schaltverhalten eröffnet den kleinen Magnetisierungswirbeln neue vielversprechende Perspektiven in der magnetischen Datenspeicherung. Diese und weitere mögliche Anwendungen werden am Ende dieser Abhandlung diskutiert.