Zeitauflösende Röntgentransmissionsmikroskopie an magnetischen Mikrostrukturen

Abstract

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.

Three excitation schemes were designed for stroboscopic imaging of magnetization dynamics with time-resolved magnetic transmission X-ray microscopy (TR-MTXM). These techniques were implemented into two types of X-ray microscopes, namely the imaging transmission X-ray microscope (ITXM) and the scanning transmission X-ray microscope (STXM), both installed at the electron storage ring of the Advanced Light Source in Berkeley, USA. Circular diffraction gratings (Fresnel zone plates) used in both microscopes as focusing and imaging elements presently allow for lateral resolution down to 30 nm. Magnetic imaging is performed by using the X-ray magnetic circular dichroism (XMCD) as element specific contrast mechanism. Developed methods have been successfully applied to the experimental investigation of magnetization dynamics in ferromagnetic microstructures. Temporal resolution well below 100 ps was achieved.

Conventional pump-probe technique was implemented first. Dynamic response of the magnetization excited by a broadband pulsed magnetic field was imaged spatially resolved using focused X-ray flashes. Magnetic field pulses were induced by applying short current pulses (rise time ~ 100 ps) into microcoils or microstriplines. As a complementary method, the spatially resolved ferromagnetic resonance (SR-FMR) technique was developed for experimental study of magnetization dynamics in the frequency domain. This technique allows a selective excitation of magnetic microstructures by an alternating field with a well-defined frequency (< 5 GHz). High excitation amplitudes can be achieved, enabling the investigation of non-linear dynamic processes. As a third excitation mode, the burst excitation was implemented. Optionally, magnetic samples can be excited with short bursts of an alternating field from either their ground state or from a steady oscillating state. Hence, the burst excitation can be regarded as a combination of the first two techniques.

The performance and efficiency of developed methods have been demonstrated by imaging the local magnetization dynamics in laterally patterned ferromagnetic thin-film elements and three-layer stacks. Investigated samples have a circular or rectangular shape with diameters and edge lengths, respectively, in the range of 1 µm and an individual thickness between 20 and 50 nm. They exhibit a closed magnetic flux in the plane of the sample. Due to the exchange interaction a magnetic vortex with a perpendicularly (out-of-plane) magnetized core is formed in the center of each element. The vortex core has a lateral size in the order of 20 nm and its orientation can be either up or down. The existence of multiple eigenmodes in the excitation spectra of ferromagnetic microstructures has been verified by using the pump-probe technique. A fast precession of the magnetization in the domains was observed in the high frequency range (several GHz). Magnetostatic spin waves were selectively excited and detected with a time resolution of 50 ps using the SR-FMR technique. Slower, highly localized precession modes of inhomogeneous magnetization were imaged in the domain walls of rectangular samples and in the area of the vortex.

The switching of the vortex core polarization (orientation of the magnetization in the core) has been accomplished by excitation of the gyrotropic vortex motion. Dynamic vortex core switching occurs for well-defined threshold amplitudes of the continuously alternating magnetic field. The width of the threshold region is in the range of the earth’s magnetic field magnitude, and the amplitude of the external field required for reproducible switching is in the order of one millitesla. This value is two orders of magnitude lower than the amplitude of the static field necessary for the reversal of the vortex core magnetization. Thorough analysis of 20 in most cases independently prepared samples has verified that vortices which exhibit a low-amplitude switching of their core polarization develop the same handedness of their preferential ground state after the excitation, although their handedness was equally distributed right- and left-handed immediately after the preparation.

Furthermore, the gyrotropic vortex motion was imaged separately in each magnetic layer of a three-layer stack. The switching of the vortex core orientation was attained in the magnetically softer layer. The discovered reversal behaviour of magnetic vortex core opens promising new perspectives for its utilization as magnetic memory cell. Several application possibilities are discussed at the end of the thesis.