Untersuchung mikromagnetischer Strukturen in dünnen Schichten

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1 EINLEITUNG 3 an äquivalenten TMR-Elementen unterschiedliches Schaltverhalten [27], oder ein Krie- ” chen der Magnetisierung“ in den ferromagnetischen Schichten des Tunnelübergangs, d.h. einen Zerfall des ursprünglich eindomänigen Zustands in Domänen [27]. Zur Beschreibung der zugrundeliegenden physikalischen Prozesse sind experimentelle wie theoretische Untersuchungen des Verhaltens ultradünner Filme und Viellagensysteme mit Mikrometerabmessungen erforderlich. Die Mehrzahl der auf dem experimentellen Sektor erschienenen Veröffentlichungen präsentiert Untersuchungsergebnisse an Mikro- oder Nanostrukturen von einigen 10 nm Dicke [30]-[36]. Nur wenige Arbeiten beschäftigen sich mit den Eigenschaften dieser Teilchen bei einer Schichtdicke von wenigen atomaren Lagen [37]. Dabei ist gerade dieser Schichtdickenbereich für die Anwendung des TMR-Effekts in MRAMs von Interesse. Zum Teil kommen zudem Meßmethoden zum Einsatz, die zwar das makroskopische“ ” Ummagnetisierungsverhalten erfassen, aber nicht die damit einhergehenden Veränderungen in der mikromagnetischen Struktur [38, 39, 40]. Die in dieser Arbeit benutzte Methode des Rasterelektronenmikroskops mit Spinpolarisationsanalyse der Sekundärelektronen erlaubt eine ortsaufgelöste und zerstörungsfreie Bestimmung der Magnetisierungsorientierung. Als System für die Untersuchungen wurde kubischflächenzentriertes (kfz) Kobalt auf Kupfer-(001)-Substraten ausgewählt, da ausgedehnte Filme dieses Systems in der nahen Vergangenheit ausführlich charakterisiert worden sind. Untersuchungen am vizinalen Co/Cu(11 15)-System sollen den Einfluß einer veränderten magnetischen Anisotropie aufzeigen. Die Reduktion der beiden lateralen Dimensionen in den Mikrostrukturen wird dabei ebenso Auswirkungen auf die magnetische Struktur im Vergleich zu den ausgedehnten Filmen haben, wie deren reduzierte dritte Dimension zu den oben beschriebenen neuartigen Eigenschaften im Vergleich zu denen der entsprechenden Volumenmaterialien führt. Die Abgeschlossenheit des Systems Mikrostruktur“ erlaubt überdies die Berechung des ” mit bestimmten Domänenkonfigurationen verbundenen mikromagnetischen Energieinhalts. Derartige theoretische Betrachtungen können von entscheidender Bedeutung für die Interpretation der experimentellen Ergebnisse sein. Da Co/Cu(001) im Bereich ultradünner Schichten weder Reorientierungsübergänge der Magnetisierung (s.o.) noch strukturelle Transformationen aufweist, bietet dieses System die Möglichkeit, die elementaren Veränderungen in der mikromagnetischen Struktur z.B. unter Feldeinwirkung in einem großen Dickenintervall untersuchen zu können.
1 EINLEITUNG 4 Die vorliegende Arbeit ist wie folgt gegliedert: In Kapitel 2 werden nach der Benennung der Beiträge zur Gesamtenergie eines mikromagnetischen Systems grundlegende Domänenmuster in ultradünnen Co/Cu(001)- Quadraten mit µm-Abmessungen hinsichtlich ihrer mikromagnetischen Energie analysiert und in Abhängigkeit von Kantenlänge und Schichtdicke klassifiziert. Kapitel 3 zeigt zunächst den experimentellen Aufbau und erläutert die der Rasterelektronenmikroskopie mit Spinpolarisationsanalyse (SEMPA) zugrundeliegenden physikalischen Prozesse. Anschließend wird eine neu entwickelte elektronenoptische Transportlinse vorgestellt, die für ein parallel zu den Messungen aufgebautes zweites SEMPA konstruiert wurde. Dabei wird sowohl auf die dem Entwurf zugrundeliegendenen Konzepte als auch auf die bei den Simulationen und praktischen Tests auftretendenen Probleme eingegangen. Im letzten Abschnitt dieses Kapitels wird die Herstellung der Co/Cu(001)- Mikrostrukturen vorgestellt. Kapitel 4 beschreibt kurz die strukturellen und ausführlich die magnetischen Eigenschaften ausgedehnter Co-Filme auf Cu(001)-Substraten. Unterschiede zu den vizinalen Co/Cu(11n)-Systemen (n>1) werden aufgezeigt. In Kapitel 5 wird neben der Vorstellung der experimentellen Ergebnisse eine detaillierte Analyse der mikromagnetischen Struktur durchgeführt. Die Eigenschaften des wiegewachsenen Zustandes und das Magnetisierungsverhalten der Mikrostrukturen werden in Kapitel 6 diskutiert. Abschließend werden in Kapitel 7 die wichtigsten Ergebnisse dieser Arbeit zusammengefaßt.
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