Methoden zur Abbildung magnetischer Domänenweb.physik.uni-rostock.de/cluster/lehre/of_physik/magnetisch... · Ferromagnetische Domänen L. Alff, Grundlagen des Magnetismus, Skript

Methoden zur Abbildung magnetischer Domänen

• Licht: Spin-Bahn-Wechselwirkung– Kerr-Effekt, Faraday-Effekt– X-Ray Magnetic Circular (Linear) Dichroism (PEEM)

• Elektronen:– Lorentz-Mikroskopie (Lorentzkraft)– SEMPA: Secondary Electron Microscopy with Polarization Analysis – SP STM: Nachweis der Spinpolarisation

• (andere) Rastersondenmethoden– MFM: magneto-statische-Wechselwirkung

Methoden zur Abbildung magnetischer Domänen

Gliederung:

• Kurzübersicht – Traditionelle Techniken:– Bitter-Streifen-Technik– Kerr-Mikroskopie– Lorentz-Mikroskopie

• Photoelektronenemissionsmikroskopie (PEEM)• Magnetic Force Microscopy (MFM)• Spin Polarized Scanning Tunneling Microscopy

Freeman and Choi, Advances in Magnetic Microscopy, Science 294, 1484 (2001)

Ferromagnetische Domänen

L. A

lff, G

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krip

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Ursache der Domänenbildung ist die Reduzierung der magnetischen Streufeldenergie ...

Ferromagnetische Domänen

Ch. K

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s. 2

1, 5

14 (

1949

)

... wie hier am Beispiel eines Si-Fe-Kristalls gezeigt.

Domänenwände

Jäge

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von

Fest

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Bloch-Wand Néel-Wand

Drehung der Magnetisierung in der Ebene der Wand,stabil im Volumen

Drehung der Magnetisierung in einer Ebene senkrecht zur Wand,es ragt kein Streufeld aus der Oberfläche herausstabil an der Oberfläche

Bitter-Streifen-TechnikFrancis Bitter 1902-1967

B. E

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`Phy

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• Beschichtung einer ferromagnetischen Probe mit einer kolloidalen Lösung ferromagnetischer Teilchen (z.B. Magnetit Fe3O4)

• diese sammeln sich an Stellen hoher großer Gradienten des Streufeldes (Bloch-Wänden)

• im Lichtmikroskop können dann die Bereichswände aufgrund der Ansammlung von Teilchen beobachtet werden

Kerr-MikroskopieJohn Kerr 1824 - 1907

• Kerr-Effekt (1877): Drehung der Polarisationsebene linear polarisierten Lichts aufgrund der Reflexion an einer ferromagnetischen Oberfläche

• in der Lichtmikroskopie mit Polarisationsanalyse können magnetische Domänen beobachtet werden

• Messungen im Magnetfeld möglich• Auflösung bis etwa 100nm

Williams et al. Phys. Rev. 82, 119 (1951)

Magneto-optischer Kerr-Effekt

Kerr-Mikroskopie

Kron

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Fes

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Magnetooptische Kerr-Effekt-Abbildung der Bereichsstruktur auf der (110)-Ebene eines Ni-Kristalls. Die rechte Seite zeigt die Bereichsanordnung schematisch.

Lorentz-MikroskopieHendrik Antoon Lorentz (1853-1928)

• Elektronen (100-1000keV) werden beim Durchgang durch eine dünne (<150nm) ferromagnetische Schicht abgelenkt

• diese Ablenkung kann in Transmissions-Elektronen-Mikroskopie beobachtet werden

• empfindlich auf paralleleMagnetisierung (in-plane)

• Auflösung < 10nm

• Elektronenholographie: Interferenzmusteraufgrund Phasenverschiebung K

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App

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t. 75

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3 (1

999)

Photo Electron Emission Microscopy• Materialkontrast

Belichtung mit Quecksilberlampe (4.9eV) führt zu unterschiedlichen Photo-e-Intensitäten in Abhängigkeit von der Austrittsarbeit

• Chemischer KontrastAnregung mit Röntgenstrahlung an charakteristischen Absorptionskanten

• Magnetischer Kontrast– Nutzung zirkular polarisierter

Rö-Strahlung (XMCD)– Photo-e-Intensität abhängig von

relativer Orientierung von Photonenspin und Magnetisierungsvektor

– Asymmetrie-Bildσ+-σ- / σ++σ-

– mit Linearem Dichroismus (XMLD) Abbildung antiferromagnetischer Domänen möglich

Kuch et al., Surf. Rev. Lett. 5, 1241 (1998)

Photo Electron Emission Microscopy

Grundlage für magnetischen Kontrast: X-Ray Magnetic Circular DichroismRöntgen-Absorption abhängig von Magnetisierung

M+ / M --

Bsp. Fe-Film / W(110)

Stöhr, J. Electr. Spectr. 75, 253 (1995)


10x10 µm2

Magnetische Domänen auf einer CoPtCr Festplatte

XMCD images of magnetic domains on a magnetic recording disk, recorded with right polarized x-rays of different energies. We obtained the images shown by dividing the original images by a corresponding image taken at a photon energy of 810eV to remove the nonuniform response of the optical system across the field of view.

The Co L-edge dichroism spectra, which correlate photon energies and images.

Stöhr, Science 259, 658 (1993)

Photo Electron Emission MicroscopyMagnetische Domänen auf einer CoPtCr Festplatte

10x1 µm2

High-resolution XMCD images obtained by subtracting images obtained at the L3 and L2 edges for enhanced contrast.

Stöhr, Science 259, 658 (1993)


hν

Permalloy ´Flux closure domains` 40x40 µm2

Ch. Ziethen et al., J. Electr. Spect. 88, 983 (1998)

Photo Electron Emission MicroscopyCo/Cr- Keilschichten auf einem Fe(001) Whisker

Zwischenschichtaustauschkopplung

Co

Fe (001)

5ML Co

0-3ML Cr

CrFe

Kuch et al., Surf. Rev. Lett. 5, 1241 (1998)

Magnetic Force Microscopy

H)(mF •∇=

m magnetisches Moment der SpitzeH Streufeld der Probe

nano

scie

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com

Material: single crystal siliconMagnetic Coating: CoCrTa, FeRadius: < 10 nmCone angle: for min. of 3µm from apex, < 12°


Two MFM images of closely spaced bit tracks on a tape, which is used as mass data storage device. While the read head can only disinguish "1" and "0" along the tracks, MFM is able to resolve the fine structure of the magnetic bit structure. Regarding device optimations the area where neighbouring meet (right image) are of particular importance to increase the bit density.

AG Wiesendanger: http://www.nanoscience.de


Circular Co dots / GaAs Ø=150nm

Topographie MFM

2x2

µm2

Magnetisierung direkt nach der Präparation (as prepared state) in-plane mit statistischer Orientierung

Kleiber, Phys. Rev. B 58, 5563 (1998)


Elliptical Co dots / GaAs 140nm x 250nm

Topographie MFM

6x6

µm2

Magnetisierung direkt nach der Präparation (as prepared state) in-plane entlang der großen Hauptachse

(Formanisotropie)



Elliptical Co dots / GaAs 140nm x 250nm

Lokales Umschalten eines ‘Dots‘ ist durch Kombination eines externen Feldes und dem Streufeld der Spitze möglich


Spin Polarized Scanning Tunneling Microscopy

erstmals beobachtet an Cr(001)

Modell: • Topologischer Antiferromagnetismus, d.h. benachbarte Terrassen sind entgegengesetzt magnetisiert• konnte nicht mit räumlich mittelnden Methoden beoachtet werden(spinaufgelöste Photoemission)

Blügel et al., Phys. Rev. B 39, 1392 (1989), Wiesendanger et al., Phys. Rev. Lett. 65, 247 (1990)


STM mit W-Spitze:vorwiegend einatomare Stufen


STM mit ferromagnetischer

CrO2-Spitze

STM mit W-Spitze

Modell: • Topologischer Antiferromagnetismus, d.h. benachbarte Terrassen sind entgegengesetzt magnetisiert• konnte nicht mit räumlich mittelnden Methoden beoachtet werden(spinaufgelöste Photoemission)




Unterschiedlicher Tunnelstrom in Abhängigkeit von Magnetisierung der Terrassen führt im `Constant current mode` zu unterschiedlichen Stufenhöhen h1 und h2


Spin Polarized Scanning Tunneling Microscopyam Beispiel des austauschaufgespaltenen Gd (0001) Oberflächenzustandes

∆ex = 700 meV

Gd-Oberfläche mit spinpolarisierterZustandsdichte um EF

Fe-Spitze mit konstanter Spinpolarisation um EF

M+ / M --

Erhöhter Tunnelstrom der Spinkomponente parallel zur Spitzenmagnetisierung

Spin valve effect

Bode, Phys. Rev. Lett. 81, 4256 (1998)


erwartete Tunnelspektren:

Leitf

ähig

keit

~

loka

le Z

usta

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icht

e

angelegte Spannung (bias voltage)

M+ / M --



gemessene Tunnelspektren:



U= -0.2 V

2x2

µm2

U= +0.45 V

(besetzte Zustandsdichte) (unbesetzte Zustandsdichte)



Asymmetriebild:

Auflösung < 20nm



• 1,5 ML Fe / W (110)• mit Gd bedeckte W-Spitze: Magnetisierung senkrecht zur OF (out-of-plane)

Tunnelspektren`Constant current´ Bild

Kubetzka et al., Phys. Rev. B 63, 140407 (2001)


• 1,5 ML Fe / W (110)• mit Gd bedeckte W-Spitze: Magnetisierung senkrecht zur OF (out-of-plane)

Fe-Inseln parallel und antiparallel zur Spitzenmagnetisierung

Asymmetriebild bei U = -0,25V`Constant current´ Bild




Bed

ecku

ngFe / W(110)

• immer noch senkrechte Magnetisierung• Domänengröße durch Terrassenweite

bestimmt

• alle Inseln eindomänig• kleine Inseln in-plane magnetisiert

(parallel zu Magnetisierung der Monolage)

• eine Insel mit 2 Domänen• Ketten von parallel magnetisierten Inseln an

Stufenkanten - Austauschkopplung

• Koaleszenz der Inseln Versetzungslinien• Ausbildung von Domänenwänden in Inseln

~ 30nm(Blochwände, Wandbreite ~7nm)

XMCD in der Röntgen-Holographie

Eisebitt et al., Nature 432, 885 (2004)

Zusammenfassung

Methoden zur Abbildung magnetischer Domänen empfindlich auf ...

• das magnetische Streufeld• Bitter-Streifen-Technik• Magnetic Force Microscopy

• die Magnetisierung• Lorentz-Mikroskopie (eigentlich Messung des B-Feldes)• Magnetooptik

• Kerr-Mikroskopie• Photoelektronenmikroskopie

• XMCD: linearer m.o. Effekt, prop. zur M• XMLD: quadratischer m.o. Effekt, prop. M2

• Nachweis der Spinpolarisation• SEMPA (Secondary electron microscopy with polarization analysis)• SP STM (Spin polarized STM)

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