Vortex-Kern-Korrelation in gekoppelten Systemen

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wurden strukturierte ferromagnetische Dreischichtsysteme zum einen auf ihre statische in-plane- sowie out-of-plane-Magnetisierungsverteilung als auch auf deren dynamisches Verhalten hin untersucht. Die sowohl quadratischen als auch kreisförmigen Strukturen bestanden aus zwei ferromagnetischen Lagen mit einer Dicke von jeweils 50nm, welche durch eine nicht magnetische Cu-Zwischenschicht getrennt waren. Die Dicke dieser Zwischenschicht variierte schrittweise von t(Cu)=3nm bis 15nm. Als Magnetmaterialien kamen für die untere Schicht Kobalt (Co) und für die obere Schicht das magnetisch isotrope Permalloy (Ni80Fe20) zum Einsatz. Die lateralen Abmessungen sowie das Aspektverhältnis der beiden Einzelschichten wurden so gewählt, dass der Vortexzustand die stabile Domänenkonfiguration ist. Somit resultierten zwei vertikal übereinander angeordnete Vortexkonfigurationen, sodass deren Wechselwirkung sowohl im statischen als auch im dynamischen Fall untersucht werden konnte. Aufgrund der gewählten Cu-Schichtdicke von mindestens 3nm war gewährleistet, dass die Kopplung der in-plane-Schichtmagnetisierung hauptsächlich durch die elektrostatische Streufeldenergie beeinflusst wurde und somit der Beitrag der Oszillatorischen Zwischenschichtaustauschwechselwirkung vernachlässigt werden konnte. Im Falle zweier vertikal übereinander angeordneter Vortexstrukturen kann man bezüglich der Zirkulation C (beschreibt die Orientierung der in-plane-Magnetisierung) und der Polarisation P (beschreibt die Orientierung der out-of-plane-Komponente des Vortexkerns) unter Berücksichtigung der Symmetrie vier verschiedene Konfigurationen voneinander unterscheiden: Die beiden Fälle, bei denen C und P jeweils bzw. orientiert sind, sowie die beiden Fälle, bei denen lediglich C oder P parallel ausgerichtet ist. Der erste Schritt dieser Arbeit bestand in der Probenpräparation. Als Strukturierungsverfahren kamen zum einen das Ionenstrahlätzen und zum anderen die Elektronenstrahllithographie zum Einsatz. Anhand von Röntgenbeugungsexperimenten konnte herausgefunden werden, dass beide Schichtmaterialien, sowohl das Permalloy als auch das Kobalt, eine polykristalline, fasertexturierte Schichtstruktur mit einer fcc-Gitterstruktur aufwiesen. Diese Erkenntnisse waren vor allem für die korrekte Parameterwahl für die nachfolgend durchgeführten mikromagnetischen Simulationen von großer Bedeutung. Messungen der Oberflächenrauigkeiten mittels des AFM ließen darauf schließen, dass neben dem Beitrag der Streufeldenergie ebenso korrelierte bzw. unkorrelierte Zwischenschichtrauigkeiten zur gegenseitigen Ausrichtung der in-plane-Schichtmagnetisierungen beitrugen. Mit Hilfe von SQUID-Messungen bei T=40K an unstrukturierten Co/Cu/Py-Dreischichtsystemen konnte nachgewiesen werden, dass erst für Proben mit Cu-Schichtdicken ab t(Cu)=2,0nm beide ferromagnetische Materialien chemisch voneinander getrennt vorlagen und keine direkte ferromagnetische Kopplung aufgrund von sogenannten Pinholes auftrat. Somit konnte geschlussfolgert werden, dass erst ab einer Dicke von t(Cu) größer gleich 2,0nm eine vollständig geschlossene Cu-Schicht vorlag. Die ersten statischen in-plane-Messungen am STXM zeigten, dass Proben, welche im as-sputtered Zustand eine undefinierte metastabile Mehrdomänenkonfigurationen aufwiesen, durch einen Entmagnetisierungsprozess in den stabilen Vortexzustand überführt werden konnten. Neben antiparallel gekoppelten Systemen bezüglich der Zirkulation C wurden mit einer ähnlich hohen Wahrscheinlichkeit Proben mit einer parallelen Ausrichtung der in-plane-Magnetisierung gefunden. Dies zeigte, dass die Kopplung der Schichtmagnetisierungen nicht allein durch die Streufelder realisiert wurde, sondern ein weiterer Beitrag hinzukam, dessen Ursache mit hoher Wahrscheinlichkeit in den Zwischenschichtrauigkeiten zu finden war. Statische mikromagnetische Simulationen an quadratischen Co/Spalt/Py-Strukturelementen haben gezeigt, dass die in-plane-Magnetisierungsverteilung der Systeme mit C=parallel eine merklich verzerrte Landaustruktur aufwies. Zudem lag bei Konfigurationen mit P=antiparallel ein lateraler Shift bezüglich der Gleichgewichtspositionen der Kerne vor, was aufgrund der Interaktion der out-of-plane-Streufelder zu erwarten war. Dies spiegelte sich auch in der Energiebetrachtung wieder, wobei die beiden Systeme mit der Konfiguration C=parallel deutlich höhere Gesamtenergien aufwiesen als diejenigen mit C=antiparallel. Allgemein lagen im Falle von parallelen Kernpolarisationen die Energiewerte etwas niedriger als bei antiparallel ausgerichteten Kernen. Die dynamische Anregung der ferromagnetischen Schichtsysteme wurde experimentell mittels eines in-plane-Magnetfeldpulses realisiert, welcher durch die lineare Stripline generiert wurde. Die Pulsdauer betrug je nach Element 0,5 bis 1,6ns, und bezüglich der Pulsamplitude mussten Feldstärken von B(Puls)=3,1mT bis zu 6,0mT angelegt werden, um eine Gyrationsbewegung beobachten zu können.

The present work focuses on the investigation of the static and dynamic in-plane as well as the out-of-plane magnetization distribution and on the dynamic behavior of structured ferromagnetic trilayer systems. The square shaped and circular shaped nanodots consist of two ferromagnetic layers, each with a thickness of 50nm, which are separated by a nonmagnetic Cu spacer layer. The thickness of this interlayer gradually varies between t(Cu)=3nm and 15nm. As ferromagnetic material Cobalt is used for the lower layer and the magnetically isotropic Permalloy (Ni80Fe20) for the top layer. The lateral dimension and thus the aspect ratio of each layer enables the occurrence of the stable vortex state. Thus two vertically arranged vortex cores result, so that the interaction of the static as well as the dynamic case can be investigated. Due to the thickness chosen for the Cu interlayer of at least 3nm the Oscillating Interlayer Exchange Coupling (OIEC) as coupling mechanism is neglected. Other coupling mechanisms which contribute to the in-plane magnetization are presented in this work. The circulation C describes the orientation of the in-plane magnetization, if it is rotating clockwise or counter clockwise. The polarization P describes the orientation of the out-of-plane magnetization at the center of the structure, the so-called vortex core. In case of two vertically stacked vortex configurations four different cases concerning C and P can occur. This leads to the configurations, if C and P both are parallel or antiparallel and the configurations, if only C or P is parallel oriented. The investigations start with the sample preparation. For the first batch of samples ion beam etching is used as structuring method, and for all other samples the electron beam lithography is applied. XRD measurements reveal that both layer materials exhibit a textured polycrystalline microstructure with fcc lattice structure. This information is important to choose the appropriate micromagnetic constants for the subsequently performed micromagnetic simulations. AFM measurements reveal that in addition to the contribution of the electrostatic stray field energy the coupling of the in-plane layer magnetization is affected by a correlated interface roughness. SQUID measurements at T=40K of unstructured Co/Cu/Py systems reveal that samples with Cu interlayer thicknesses of less than t(Cu)=2nm show a direct ferromagnetic coupling, whereas samples with thicknesses of at least 2nm show a step in their hysteresis loops which indicates the appearance of individual switching events in each ferromagnetic layer. Therefore one can suppose that for our samples Cu interlayers with thicknesses of 2nm or more are completely closed and a direct ferromagnetic coupling by pinholes can be excluded. The first static in-plane measurements at the Scanning Transmission X-Ray Microscope show that a stable vortex configuration is obtained by performing a demagnetization process on samples which show an undefined metastable multi domain configuration in the as-sputtered state. Static micromagnetic simulations on square shaped Co/gap/Py layer systems show for the configuration with parallel C a significantly distorted Landau structure in both ferromagnetic layers. Furthermore systems with antiparallel oriented core polarizations show a lateral shift of the equilibrium positions of the vortex cores. This is caused by the out-of-plane stray field interaction of the cores. An in-plane magnetic field pulse generated by a linear stripline triggers the dynamic excitation. Pulse durations of 0.5-1.6ns and field amplitudes from B(pulse)=3.1mT up to 6.0mT are necessary to excite the vortex core gyration mode.