2006
Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2005
Genehmigende Fakultät
Fak01
Hauptberichter/Gutachter
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2005-12-16
Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-13369
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/62185/files/Fraune_Michael.pdf
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Physik (frei) ; Magnetische Anisotropie (frei) ; Magnetowiderstand (frei) ; Lithographie (frei) ; Magnetooptik (frei) ; Ionenstrahllithographie (frei) ; magnetic anisotropy (frei) ; magnetooptics (frei) ; magnetoresistance, lithography (frei) ; focussed ion beam lithography (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530
Kurzfassung
Der beständig wachsende Einsatz von Informationstechnologien hat zur Entwicklung vieler neuer Konzepte und Verfahren in der Herstellung elektronischer Bauelemente und magnetischer Datenspeicher geführt. Eine zentrale Rolle spielt dabei die Herstellung und lithografische Strukturierung von Dünnschichtsystemen. Die Weiterentwicklung auf diesen Gebieten war die Motivation für diese Arbeit. Die Schwerpunkte liegen auf den Themen magnetische Anisotropie und Herstellung magnetischer Transportstrukturen.Die theoretischen Grundlagen zur magnetischen Anisotropie und zum Magnetotransport werden in den Kapiteln 1 und 2 gelegt. Die experimentellen Methoden und Anlagen, die für diese Arbeit genutzt wurden, werden in Kapitel 3 vorgestellt. In Kapitel 4 werden die Ergebnisse einer Analyse der magnetischen Anisotropie von Fe(110)-Dünnschichten auf Saphir-Substraten mit einem Mo(110)-Buffer vorgestellt. Dazu wurden Proben mit unterschiedlichen Dicken der Fe(110)-Schicht durch Molekularstrahlepitaxie (molecular beam epitaxy, MBE) hergestellt und ex-situ mit Brillouin-Lichtstreuung (BLS) untersucht. Die Frequenz der Damon-Eshbach-Spinwellenmode wurde für jede Schichtdicke in Abhängigkeit des Winkels zwischen dem äußeren Sättigungsmagnetfeld und einer definierten in-plane Richtung der Probe gemessen. Durch Fitten der Winkelabhängigkeit der Spinwellenfrequenz mit einem Kontinuumsmodell wurden die relevanten Anisotropiekonstanten extrahiert. Es ergab sich eine Schichtdickenabhängigkeit der magnetokristallinen Anisotropie und einer uniaxialen in-plane Anisotropie. Die Ursache wird in einer anisotropen Relaxation der Gitterverzerrung von Fe(110) gesehen. Die in Kapitel 5 gezeigten MOKE (Magnetooptischer Kerr-Effekt)-Messungen an mikrostrukturierten Exchange Bias-Systemen mit senkrechter magnetischer Anisotropie zeigen, dass sowohl die senkrechte Anisotropie als auch der Exchange Bias durch den Mikrostrukturierungsprozess zwar beeinflusst, aber nicht zerstört werden. Es wurden Strukturen mit Abmessung von 200 nm bis zu einigen Mikrometern hergestellt und untersucht. Die Koerzitivität der Mikrostrukturen nimmt mit sinkender Strukturgröße zu, der Exchange Bias nimmt ab. Der Vergleich der Temperaturabhängigkeit von Koerzitivität und Exchange Bias in Mikrostrukturen und einem unstrukturierten Referenzfilm weist auf einen Einfluss der Mikrostrukturierung auf die Verteilung der lokalen Blockingtemperaturen hin.In Kapitel 6 werden zwei unterschiedliche Methoden der Herstellung von Transportstrukturen auf der Mikro- bis Nanometerskala vorgestellt. Abschließend wird die Funktionsfähigkeit der Prozesse exemplarisch durch die Ergebnisse von Magnetotransportmessungen belegt. Mit dem ersten vorgestellten Prozess ist es möglich, aus in-situ präparierten Schichtsystemen Strukturen herzustellen, an denen die elektrischen Transporteigenschaften beim Stromfluss senkrecht zu den Schichtebenen (current perpendicular to the plane, cpp) gemessen werden können. Auf diesem Weg wurden Transportstrukturen auf der Mikrometerskala aus verschiedenen Ferromagnet/Tunnelbarriere/Ferromagnet-Systemen hergestellt. Bei Raumtemperatur ergaben sich je nach Materialsystem Tunnelmagnetowiderstandsverhältnisse bis zu 45%.Der zweite erarbeitete Prozess erlaubt die Herstellung von cpp-Kontakten mit Abmessungen von 100 nm und weniger. Hier werden zunächst sogenannte Nanostencils vorstrukturiert, die die Geometrie und die Abmessungen der späteren Kontakte vorgeben. Die eigentlichen Kontakte werden im Anschluss durch Deposition des gewünschten Schichtsystems auf die vorstrukturierten Substrate erzeugt. An Proben, die mit diesem Verfahren hergestellt wurden, konnte gezeigt werden, dass sich die Elektroden eines GMR (giant magnetoresistance)-Nanokontaktes durch Spin Torque Transfer schalten lassen. Messreihen wurden bei verschiedenen äußeren Magnetfeldern durchgeführt. Es wurden Hinweise auf strominduzierte Anregung von Spinwellen in den untersuchten Kontakten gefunden.The increasing use of information technology has lead to the development of numerous new concepts and processes in the production of electronic devices and magnetic data storage systems. The preparation and lithographic patterning of thin films plays a central role in this context. This work was motivated by the progress in these fields. The focus lies on the magnetic anisotropy and preparation of magnetotransport structures.The theoretical basis of magnetic anisotropy and magnetotransport is explained in chapters 1 and 2. Experimental methods and setups used for this work are introduced in chapter 3. In chapter 4 an analysis of the magnetic anisotropy of Fe(110) thin films on sapphire substrates with a Mo(110) buffer is shown. Samples with different Fe(110) layer thicknesses were grown by molecular beam epitaxy (MBE) and examined ex situ by Brillouin light scattering (BLS). The frequency of the Damon Eshbach spin wave mode was measured for each thickness as a function of the angle between the external magnetic saturation field and a selected in plane direction of the sample. By fitting the spin wave frequency with a continuum model the relevant magnetic anisotropy constants were extracted. A dependence of the magnetocrystalline anisotropy and a uniaxial in-plane anisotropy on the thickness could be observed which is attributed to anisotropic relaxation of lattice distortion in the Fe(110) layer.A magnetooptical Kerr effect (MOKE) study of micropatterned exchange bias systems with perpendicular magnetic anisotropy introduced in chapter 5 shows that perpendicular anisotropy as well as exchange bias are influenced, but not destroyed by the patterning process. Structures in the range of 200 nm to several microns were prepared and examined. The coercivity of the microstructures grows with decreasing lateral dimension, while the exchange bias is reduced. The comparison of the temperature dependence of coercivity and exchange bias in microstructures and an unpatterned reference sample indicates an influence of patterning on the distribution of local blocking temperatures. In chapter 6 two different methods of preparing transport structures on the micrometer to nanometer scale are introduced. The operativeness of the devices is proven by magnetotransport measurements. The first introduced process allows the preparation of current perpendicular to the plane (cpp) devices from pre-deposited multilayer samples. Tunneling magnetoresistance (TMR) structures based on ferromagnet/insulator/ferromagnet layer systems were prepared which showed a TMR ratio of up to 45% at room temperature.The second process developed in this work allows the fabrication of cpp contacts with lateral dimensions of 100 nm and less. Nanostencils are pre-patterned to define the geometry and dimension of the contacts which are prepared by depositing a multilayer onto the nanostencil. With samples prepared by this method it was possible to show switching of the electrodes of a giant magnetoresistance (GMR) nanocontact by spin torque transfer. Measurements were performed under different external magnetic fields. Current-induced excitation of the spin system in the contacts could be observed.
OpenAccess:
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online, print
Sprache
German
Externe Identnummern
HBZ: HT014610315
Interne Identnummern
RWTH-CONV-123774
Datensatz-ID: 62185
Beteiligte Länder
Germany
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