Spin dependent transport in cobalt nanocontacts [Elektronische Ressource] / von George Sarau

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• Publié par: universitat_duisburg-essen
• Publié le: 01 janvier 2008
• Nombre de lectures: 20
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 9 Mo

Extrait

Spin-dependent transport in
cobalt nanocontacts














Vom Fachbereich Physik
der
Universität Duisburg-Essen
zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktors der Naturwissenschaften
genehmigte Dissertation








von

George Sarau

aus

Macin (Rumänien)










Referent: Prof. Dr. Claus M. Schneider
Korreferent: Prof. Dr. Günter Dumpich
Tag der mündlichen Prüfung: 16 April 2007 Promotor: Prof. Dr. Claus M. Schneider3
Zusammenfassung
Diese Arbeit beschreibt die Herstellung und Untersuchung des Magneto-
transports in Kobalt Nanokontakten. Der Einfluss der Formanisotropie
auf die Magnetisierungsumkehr und die Wechselbeziehung zwischen spin-
abh¨angigem Transport und der magnetischen Mikrostruktur, welche durch
Simulation bestimmt wurde, wurden untersucht. Die Kobalt Nanokontakte
wurdeninplanarerGeometriezwischenzweibreiterenElektrodenaufeinem
Si/SiO Substrat hergestellt unter Ausnutzung des Proximity-Effekts der2
Elektronenstrahllithographie in Verbindung mit einem speziellen Layout.
Dieses Verfahren fuhrt¨ zu mechanisch stabilen Nanokontrakten, die frei von
Magnetostriktionseffekten sind.
DieErgebnissedieserArbeitbelegen,dasseszweiseparableBetr¨agezum
Magnetowiderstand (MW) gibt, die unabh¨angig beeinflussbar sind. Der bei hohen Feldern wird bestimmt von den Elektroden
undkannduchVariationderBreitederindividuellenElektrodenmodifiziert
werden, w¨ahrend der Magnetowiderstand bei schwachen Magnetfeldern der
Nanokontakt-Region zugeschrieben wird und von der Breite und Form der-
selbenabh¨angt. WenndieElektrodenentlangdery-Richtung(senkrechtzur
Stromrichtung)ausgedehntsind, wirdinlongitudinalerKonfiguration(Feld
entlang der Stromrichtung x) ein Anstieg des reversiblen Hochfeld-MW
beoachtet, der von einem positiven Beitrag durch Dom¨anenwandbildung
in den Elektroden stammt. In der transversalen Konfiguration (Feld ent-
lang y) der zeigt der Hochfeld MW keine signifikante Abnh¨angigkeit von
der Breite der Elektroden, da der Umkehrprozess der Magnetisierung do-
miniert wird von Rotation anstatt von Dom¨anenwandbildung. Abh¨angig
vonderRichtungdesMagnetfeldesrelativzumStromflusswerdenreversible
oder irreversible Schaltvorg¨ange im Niedrigfeld-MW beobachtet. Durch
Ver¨anderungderFormderElektrodenerh¨altmanverschiedeneNanokontakt-
Geometrien. Dies fuhrt¨ zu ver¨andertem Verhalten der Magnetisierung des
Nanokontakts in Folge der Formanisotropie. Fur¨ longitudinale Konfig-
¨uration findet ein Ubergang von einem scharfen Schaltprozess zu einem
mehrstufigen Vorgang statt, wenn die Elektrodenbreite und damit die Ein-
schnurungskr¨ umm¨ ungdesNanokontaktsvergr¨oßertwird. Beitransversalem
Feld hingegen geht minimal hysteretisches, quasi reversibles Schaltverhal-
ten bei geringer Krumm¨ ung in ebenfalls mehrstufiges Schalten ub¨ er. Die
irreversiblen Schaltvorg¨ange stehen in Zusammenhang mit der Existenz
von Dom¨anenw¨anden im Nanonkontakt, w¨ahrend reversible Prozesse durch
koh¨arente Rotation der Magnetisierung zwischen der leichten und schweren
Richtung verursacht werden. Die Form der MW Kurve und der Abfall
des relativen Widerstands um bis zu 1% zeigen, dass der Anisotrope Mag-
netowiderstand (AMW) in allen gemessenen Systemen den dominierenden
Beitrag darstellt.4
Mikromagnetische Simulationen zeigen, dass zwei Dom¨anenw¨ande bei-
derseits des Nanokontaktes der vollst¨andigen Magnetisierungsumkehr vo-
rausgehen. Fur¨ einlongitudinalesFeldvereinigensichbeideDom¨anenw¨ande
und annihilieren direkt im Nanokontakt. Dies steht in direkter Verbindung
mit dem experimentell beobachteten scharfen Schaltprozess. Die Pr¨asenz
von Dom¨anenw¨anden im Nanokontakt im Bereich niedriger Magnetfelder
wirdebenfallsbest¨atigtdurch“minor”MWHystereseschleifen. Beitransver-
salemFeldwirdderNanokontaktalsletztesdurchRotationummagnetisiert,
was einer nicht- oder minimal hysteretischen MW-Kurve entspricht. Aus
dem Vergleich von Simulation und Experiment l¨asst sich ein mittlerer posi-
−7tiverGrenzfl¨achenwiderstandeinereinzelnenDom¨anenwandvon8.4×10
2Ωm und ein Dom¨anenwand-MW von 0.07% absch¨atzen.
Die bie 4 K MW Messungen wurden vom Exchange Bias Effekt durch
die antiferromagnetische oxidierte Co Oberfl¨ache beeinflusst. Beim Kuhlen¨
in angelegtem Magnetfeld wird daher in der Co Schicht eine unidirektionale
Anisotropie entlang der Richtung des Einkuhlfeldes¨ induziert. Die Mag-
netisierungsumkehr findet entweder ub¨ erwiegend durch Dom¨anenbildung
oder Magnetisierungsrotation zwischen den beiden leichten Richtungen in
Folge der Formanisotropie und des Bias-Feldes statt. Im Fall des feldlosen
Kuhlens¨ variiertdieRichtungdesExchangeBiaslokalmitderDom¨anenstruktur
der Probe und verursacht sukzessive nichtreproduzierbare MW Kurven.5
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2.1 Magnetic domains and domain walls . . . . . . . . . . . . . 8
2.1.1 Magnetic domains. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1.2 Bulk domain walls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.3 Geometrically confined domain walls . . . . . . . . . 12
2.2 Anisotropic Magnetoresistance . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3 Magnetization reversal processes . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3.1 Anisotropic magnetoresistance and magnetization re-
versal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.4 Domain wall - theoretical models . . . . . 19
2.4.1 Diffusive regime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.4.1.1 Positive domain wall magnetoresistance . . 21
2.4.1.2 Negative wall . . 24
2.4.2 Ballistic regime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.5 Nanocontacts: Experimental situation. . . . . . . . . . . . . 27
2.5.1 Large domain wall magnetoresistance - ballistic limit 27
2.5.2 Small wall - diffusive limit 29
2.6 Micromagnetic calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.1 Sample preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.1.1 Optical lithography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.1.2 Electron beam lithography . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.2 Setup for transport measurements . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.3 Magnetic Force Microscopy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.1 Cobalt thin films . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.2 Long rectangular electrodes: Structure A . . . . . . . . . . . 51
4.3 Mixed electrodes: Structure B . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.4 “Butterfly” electrodes: Structure C . . . . . . . . . . . . . . 66
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Vitae
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3
2Chapter 1
Introduction
The effect of an external magnetic field on the electronic transport in fer-
romagnetic materials - the magnetoresistance (MR) - is a physical effect
of fundamental and industrial interest. Magnetic memory devices are used
to store data by magnetic hysteresis and magnetic field sensors are used
to read data by magnetoresistance effects. The oldest known MR effect,
discovered in 1857 by W. Thomson, is the anisotropic magnetoresistance
(AMR), which results from spin-orbit scattering and is manifested as the
resistance variation with the angle between the local magnetization and
electrical current lines. The AMR effect in thin films was exploited in first
magnetoresitive read heads for magnetic hard disk drives in 1992, resulting
in an increase of the annual growth rate of the storage density from 25%
to 60%. A giant magnetoresistance effect (GMR) was discovered in 1988
by P. Grun¨ berg and A. Fert [1, 2] in systems consisting of two magnetic
layers separated by a thin spacer layer a few nm thick. The resistance is
usually lower when the magnetizations in the two ferromagnetic layers are
parallel than in the anti-parallel case. This discovery had a great impact
both through its industrial applications as read-heads, enabling the storage
density to be increased at a 100% rate per year, and Magnetic Random
Access Memories (MRAM), as well as for triggering the field of spintron-
ics (SPIN elecTRONICS), aiming to use the spin of the charge carriers in
electronic devices with enhanced functionalities. The integration of AMR
and GMR read heads into the computer technology have helped to increase
the arial density of magnetic disk drive by a factor of 35 millions, since the
introductionofthefirstdiskdrive(RAMAC)in1957byIBM.Thisdevelop-
ment was possible by decreasing the size of the magnetic grains that make
up data bits and increa