Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-4179
Dassow, Henning
Strominduziertes magnetisches Schalten von einkristallinen Eisenschichten
105 S., 2005
Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung eines neuen Prozesses zur
Nanostrukturierung von magnetischen Schichtsystemen. Die hergestellten Strukturen
haben einen Durchmesser kleiner als 200 nm. Sie sind so ausgelegt, daß
an ihnen elektrische Widerstandsmessungen im Temperaturbereich von 4K bis
Raumtemperatur möglich sind. Dadurch ist es am Forschungszentrum Jülich erstmalig
möglich, den Riesenmagnetowiderstand senkrecht zur Schichtebene (CPPGMR)
an magnetischen Schichtsystemen zu untersuchen. Es werden erstmals
das strominduzierte magnetische Schalten sowie magnetische Anregungen durch
Spin-Transfer an einkristallinen Nanomagneten nachgewiesen.
In dieser Arbeit werden zwei epitaktische Systeme untersucht, die mit Molekularstrahlepitaxie
hergestellt werden. Das System Fe(10) / Cr(1.2) / Fe(2) [in
nm] zeigt einen GMR= 0.1% bei RT und 0.6% bei 4 K. Bei Erhöhung der Gleichstromstärke
ergeben sich Anregungen des magnetischen Systems, die vermutlich
aufgrund der antiferromagnetischen Zwischenschichtaustauschkopplung in beiden
Schichten und bei beiden Stromrichtungen auftreten. Ein hysteretisches Schalten
der dünnen Eisenschicht ist deswegen nicht zu beobachten.
Das zweite untersuchte System ist Fe(14) / Cr(0.9) / Fe(10) / Ag(6) / Fe(2).
Der CPP-GMR beträgt 2.6% bei RT und 5.6% bei 4 K. Bei Anlegen eines Gleichstromes
mißt man bei kleinen externen Magnetfeldern hysteretisches, strominduziertes
magnetisches Schalten in beiden Stromrichtungen, was theoretisch mit
der unterschiedlichen Spinstreuasymmetrie der Fe / Cr- und Fe / Ag-Grenzfläche
erklärt werden kann. Bei großen Magnetfeldern von ∼ 1T ergibt sich nur bei
positiver Stromstärke ein Peak im differentiellen Widerstand. Dies ist ein klares
Anzeichen von magnetischer Anregung durch Spin-Transfer.
Das magnetische Schalten der Schichten läßt auf ein komplexes Magnetisierungsverhalten
der nanostrukturierten Proben schließen. Dadurch ist eine weitergehende,
quantitative Interpretation nicht möglich. Durchgeführte mikromagnetische
Simulationen identifzieren aber die Probleme, die eine Behebung durch
die Verbesserung des Strukturierungsverfahrens ermöglichen können.
In this thesis I describe the development of a new process to nanostructure a layered
magnetic system. The diameter of the pillar-like structures is smaller than
200 nm. The structures are designed to allow measurements of the electrical resistance
in a temperature range from ambient temperature down to 4 K. Thus, it is
possible to measure the giant magneto resistance with current perpendicular to
the plane of the layers (CPP-GMR) for the first time at the Forschungszentrum
Jülich. Furthermore I present the first measurements of current induced magnetic
switching and magnetic excitations by spin-transfer of single-crystalline iron
layers.
I discuss two epitaxial systems that are prepared using molecular beam epitaxy.
The frst one is Fe(10) / Cr(1.2) / Fe(2) [in nm] which gives a GMR= 0.1% at
ambient temperature and 0.6% at 4 K. By increasing a DC current the magnetic
system is excited for both polarities of the current. This feature could be explained
by the interlayer exchange coupling which leads to a simultaneous excitation
of both iron layers. Therefore, hysteretic switching could not be observed.
The second system is Fe(14) / Cr(0.9) / Fe(10) / Ag(6) / Fe(2). The value
of the CPP-GMR is around 2.6% at room temperature and 5.6% at 4 K. A DC
current gives hysteretic current induced magnetic switching at small external
magnetic fields at both polarities of the current. This observation is explained
by theoretical different signs of the spin scattering asymmetry of the Fe / Cr
and Fe / Ag interfaces. At high fields of ∼ 1T only one peak in the differential
resistance is observed which is a clear evidence of magnetic excitations by spintransfer.
The observed switching indicates a very complex remagnetization process of
the nanostructured system. Therefore, it is not possible to discuss the data more
quantitatively. Micromagnetic simulations identify the problems of the structuring
process and possible improvements are suggested.
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