Micromagnetic study of self-organizes magnetic nanostructures [Elektronische Ressource] / von Roman Harald Engel-Herbert

Engel-Herbert Roman Harald

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• Publié par: humboldt-universitat_zu_berlin
• Publié le: 01 janvier 2006
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• Langue: English
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Extrait

Micromagnetic study of self-organized
magnetic nanostructures
DISSERTATION
zur Erlangung des akademischen Grades
doctor rerum naturalium
(Dr. rer. nat.)
im Fach Physik
eingereicht an der
Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät I
Humboldt-Universität zu Berlin
von
Herr Dipl.-Phys. Roman Harald Engel-Herbert
geboren am 28.09.1976 in Dessau
Präsident der Humboldt-Universität zu Berlin:
i.V. Prof. Dr. Hans Jürgen Prömel
Dekan der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät I:
Prof. Dr. Thomas Buckhout
Gutachter:
1. Prof. Dr. Klaus H. Ploog
2. Prof. Dr. Wolfgang Nolting
3. Prof. Dr. Wolfgang Kuch
eingereicht am: 16. Dezember 2005
Tag der mündlichen Prüfung: 13. April 2006Abstract
In the present thesis the micromagnetic structure, as well as the magneti-
zation reversal, of epitaxial MnAs films on GaAs substrates is studied. Over
a wide temperature range, films show a coupled magneto-structural
phase transition. As a result of the strain imposed by the substrate, a phase
coexistence of the ferromagnetic α-phase and the nonmagnetic β-phase is
observed. The two phases arrange themselves in a regular fashion and the
ferromagnetic areas show a large variety of micromagnetic structures. The
shape and distribution of the self-organized phase pattern is determined by
thesubstrateorientation. Foranisotropicsubstrates,astripepatternisfound
whereas isotropic substrates lead to an island structure with three-fold sym-
metry.
In the focus of this work is the systematic investigation of the micromag-
netic structure of anisotropically strained MnAs films on GaAs(001). The
domain structure of MnAs films was investigated with MFM (magnetic force
microscopy). Earlierinvestigationsatroomtemperaturerevealedameander-
◦like pattern, which is due to antiparallel domains separated by a 180 Bloch
wall. The investigations have been expanded to a large variety of film thick-
nesses, as well as to different phase compositions which can be tuned by
the temperature, revealing a multitude of MFM contrast patterns aside from
the meander-like structure. So far, their micromagnetic origin has not been
understood. To completely characterize the micromagnetic properties of the
self-organized stripe structure, I expanded the temperature-controlled MFM
setupbyavariablemagneticfieldassemblyusingapermanentmagnet. Now,
the magnetic structure can be investigated with high lateral resolution as a
function of applied magnetic field without undesired sample heating. This
gives us access to the different magnetization reversal processes of MnAs
films on a microscopic scale.A classification of the domain structure has been derived from MFM ex-
periments. Since the MFM signal does not allow the unambiguous deter-
mination of the domain structure, I derived a simple model on the basis of
uniaxial bar magnets that allows the calculation of the stray field - and thus
the MFM contrast - for the classified domain types. The stray field calcu-
lations agree qualitatively with the measured contrast. Up to three basic
domain types are found that are characterized by the number of subelements
perpendicular to the ferromagnetic stripe. More complex domain structures
can be explained by a combination of the basic domain types. Subsequent
XMCDPEEM(X-raymagneticcirculardichroismphotoelectronemissionmi-
croscopy) measurements generally confirm the domain classification scheme.
Although the employed complementary experimental techniques show a
mostly consistent picture of MnAs, the micromagnetic structure of the self-
organizedferromagneticstripescannotbeunderstoodonthebasisofuniaxial
barmagnets. Afundamentalproblemisthefactthattheintroductionofsub-
domains implies a domain boundary that is perpendicular to the preferred
direction of magnetization. This leads to a strong stray field due to the large
divergence in the magnetization. XMCDPEEM measurements further show
thatthickfilmsexhibitatendencytotheformationofzig-zagshapeddomain
walls, which is typical for domain walls with surface charges. Consequently,
the question after the magnetic ground state at remanence remained unan-
swered. MeasurementsofthemagnetizationreversalofMnAsfilmsshowthat
the reversal is strongly depending on the nature of this domain transition.
A complete picture of the micromagnetic properties of MnAs films, ex-
plaining the domain structure and the magnetization reversal in a consistent
way, is based on the development and application of a three-dimensional
micromagnetic simulator. The main finding is that MnAs stripes start ex-
hibiting complex magnetization distributions in depth for thicknesses larger
than 100 nm. These structures are due to the planar symmetry of the mag-
netocrystalline anisotropy and thus due to the additional degree of freedom
of the magnetization in the basal plane. Consequently, the magnetization
arranges in domains of reduced stray field energy. The stability of the three-
dimensional micromagnetic structure depends on the properties of the self-
organized stripe structure, i.e., on the film thickness as well as on the ratio
of the stipe width to thickness — and thus the temperature.
Taking into account the magnetization distribution in-depth, the remain-
ing differences between the XMCDPEEM and the MFM results can be ex-
plainedbythedisturbingeffectoftheMFMtip. Thepropertiesofthezig-zag
shapeddomainboundaries,commonlyobservedinthickerfilms,areanalyzed
iiiand explained. Moreover, the micromagnetic structure of MnAs films on
GaAs(111) is simulated and the understanding of the micromagnetic proper-
ties is now covering all substrate orientations. Finally, the field-dependence
of the domains is investigated. It is shown that, in general, two different
magnetization reversal processes are observed that are characteristic for a
certain combination of film thickness and temperature. The reason for the
different reversal is the nucleation of in-depth domain types.
The results presented in this work are of fundamental importance for a
comprehensive understanding of the magnetic properties of strained MnAs
films on GaAs substrates. The results of the micromagnetic simulations, in
combination with the experimental results, allow for a determination of the
micromagneticstructureinanappliedfieldthroughoutthephasecoexistence
regime.
Keywords:
micromagnetic simulation, magnetic force microscopy, magnetization
reversal, epitaxial ferromagnetic films
ivZusammenfassung
In der vorliegenden Arbeit wurden die mikromagnetische Struktur sowie
das Ummagnetisierungsverhalten epitaktisch gewachsener MnAs Filme auf
dem Substrat GaAs untersucht. In einem weiten Temperaturbereich zeigen
MnAs-Filme einen gekoppelten magneto-strukturellen Phasenübergang. Auf
Grund der durch das Substrat aufgeprägten Verspannung stellt sich in die-
semTemperaturbereicheinselbstorganisiertesPhasengleichgewichtzwischen
derferromagnetischenα-Phaseunddernichtferromagnetischenβ-Phaseein.
Im Resultat bildet sich eine regelmäßige Anordnung der Phasen heraus, wo-
bei die ferromagnetische Phase eine Vielzahl mikromagnetischer Strukturen
aufweist. Die Strukturbildung der MnAs-Phasen in dünnen Schichten ist in
Form und Verteilung abhängig von der Orientierung des Substrates. Es ent-
steht eine Streifenstruktur für anisotrop und eine inselartige Struktur mit
aufgeprägter dreizähliger Symmetrie für isotrop verspannte Filme.
Im Mittelpunkt dieser Arbeit steht die systematische Untersuchung der
mikromagnetischen Struktur von anisotrop verspannten MnAs Filmen auf
GaAs(001). Die Domänenstruktur von MnAs-Filmen wurde mittels magne-
tischer magnetischer Kraftmikroskopie (MFM) bestimmt. Frühere Untersu-
chungen an MnAs-Filmen bei Raumtemperatur zeigten vorzugsweise ein mä-
anderförmigesMuster,welchesdurchsenkrechtzumStreifenorientierte,anti-
parallel magnetisierte Domänen entsteht, die durch eine Blochwand getrennt
sind. Eine Ausweitung der untersuchten Filmdicken, sowie der Zugang zu
unterschiedlichen Temperaturen und damit veränderten Phasenzusammen-
setzungen zeigten, dass neben der mäanderartigen Struktur sich noch eine
Vielzahl anderer Domänentypen im Phasenkoexistenzregime ausbilden kön-
nen. Deren mikromagnetische Struktur war bislang unverstanden. Um ei-
ne vollständige Charakterisierung der mikromagnetischen Eigenschaften der
selbstorganisierten Streifenstruktur zu ermöglichen, habe ich den Versuchs-
aufbaudestemperaturgeregeltenMFMsdurcheinenexternenMagnetfeldauf-
bau erweitert. Diese Experimentieranordnung ermöglicht die Untersuchung
der magnetischen Strukturen mit hoher lateraler Auflösung in einem äußeren
Magnetfeld, welches während der Messungen angelegt werden kann und fer-
nerdieProbenichterwärmt.DamitistderexperimentelleZuganggeschaffen
worden,dieunterschiedlichenUmmagnetisierungsprozessevonMnAs-Filmen
auf mikroskopischer Skala zu studieren.Eine Klassifizierung der Domänenstrukturen wurde aus den MFM-Experi-
menten abgeleitet. Da eine eindeutige Bestimmung der Domänenverteilung
aus den MFM-Ergebnissen nicht möglich ist, habe ich ein einfaches Modell
auf der Basis uniaxialer Stabmagneten entwickelt, welches es erlaubt, das
Streufeld und somit den MFM-Kontrast f&#