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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Letzte Änderung: 07.06.2022