Lokale Magnettransporteigenschaften von dünnen ferromagnetischen Schichten und Mehrlagenstrukturen
Final Report Abstract
Im gemeinsamen Forschungsprojekt Lokale Magnetotransporteigenschaften von dünnen ferromagnetischen Schichten und Mehrlagenstrukturen der Arbeitsgruppen von Dr. S. T. B. Gönnenwein (WMI Garching) und Prof. D Kölle (Univ. Tübingen) wurden galvano-magnetische Effekte in Dünnfilmstrukturen aus verschiedenen Materialsystemen sowohl mit integralen als auch mit ortsauflösenden Messmethoden untersucht. Da galvano-magnetische Effekt elektrische und magnetische Freiheitsgrade verbinden, sind sie für die Grundlagenforschung und für Anwendungen in spin-elektronischen Bauelementen gleichermaßen interessant. Für das Projekt spielten ortsauflösende Untersuchungsmethoden eine zentrale Rolle. Zur Abbildung lokaler elektrischer Transporteigenschaften und deren Abhängigkeit von externen Magnetfeldern wurde einerseits die Tieftemperatur-Raster-Lasermikroskopie (TTRLM) und die Tieftemperatur-Raster-Elektronenmikroskopie (TTREM) eingesetzt. Andererseits wurde die magnetische Textur (die Domänenstruktur) mit Kerr-Mikroskopie abgebildet. Als wichtige apparative Entwicklungsarbeit wurde ein neuartiges Tieftemperatur-Raster-Laser-Polarisationsmikroskop (TTRLPM) aufgebaut. Dieses System soll erstmals die simultane Abbildung elektrischer (Transport-)Eigenschaften und magnetischer (Domänen-)Strukturen in Dünnfilmsystemen bei tiefen Temperaturen und variablen Magnetfeldern ermöglichen und steht mit Abschluss des Projekts für weiter führende Experimente zur Verfügung. Im Projektverlauf wurde eine Vielfalt von unterschiedlichen Dünnfilmsystemen untersucht: ferromagnetische Filme, Ferromagnet/Piezoaktor-Hybridstrukturen, magnetische Tunnelkontakte (MTJ) aus gemischtvalenten Manganoxiden, Supraleiter-Isolator-Ferromagnet-Supraleiter (SIFS) Josephson-Kontakte, und supraleitende Pb-Filme auf ferromagnetischen Substraten mit wohldefinierter laminarer Domänenstruktur. Ein wichtiges Ergebnis aus den Experimenten an ferromagnetischen Filmen ist die Quantifizierung der magnetischen Anisotropie (MA) in der Heuslerverbindung Co2 FeAl. Die dabei beobachtete kubische MA ist essenziell zum Verständnis der magnetischen Eigenschaften dieser Schichten. Die ortsaufgelöste Untersuchung des Magnetwiderstands von Co2 FeAl im Rahmen des Projekts hat gezeigt, dass ein über die magnetische Domänenstruktur gemittelter Makrospin zur Beschreibung des integralen Magneto-Transports ausreicht. Das hängt damit zusammen, dass wegen der kubischen MA der Ummagnetisierungsprozess in Co2 FeAl vornehmlich über 90° Domänen vonstatten geht. Der Makrospin bleibt daher erhalten und ändert nur seine Richtung. Im Gegensatz dazu treten z. B. in Nickel/Piezoaktor-Hybridstrukturen vornehmlich 180° Domänen auf. In diesem Fall verschwindet der Makrospin im Bereich des Koerzitivfelds; der Magnetwiderstand wird dann von einem Makrospinmodell nicht richtig wiedergegeben. Damit zeigen unsere Experimente, dass ein Makrospinmodell zur Modellierung des Magneto-Transports fast immer ausreicht. Die im Projektverlauf hergestellten und untersuchten heteropitaktischen Manganat-MTJ zeigten bei tiefen Temperaturen den bislang höchsten Tunnelmagnetwiderstand (TMR) von ca. 1900 % für MTJ überhaupt. Mittels TTRLM gelang erstmals die Abbildung des lokalen TMR in einer planaren MTJ. Ein Signalenstehungsmodell für die TTRLM an solchen MTJ wurde erfolgreich entwickelt und für die Interpretation der experimentellen Ergebnisse eingesetzt. Insbesondere wurde gezeigt, dass TTRLM die Messung der relativen Magnetisierungsrichtung in den beiden Elektroden mit wenigen µm Ortsauflösung erlaubt. Hierdurch konnten wichtige Einblicke in das lokale resistive Schaltverhalten der MTJ gewonnen werden. Die Untersuchungen an SIFS Josephson-Kontakten aus Nb/Al2 O3 /Ni0.6 Cu0.4 /Nb Heterostrukturen mit 0- und π-gekoppelten Segmenten lieferten einerseits ein detailliertes Verständnis des Transportverhaltens und des Einflusses der ferromagnetischen Barriere in 0–π-Kontakten. Andererseits gelang die Realisierung von SIFS-Kontakten mit bis zu 40 0- oder π-Segmenten in unterschiedlichsten Geometrien und die Abbildung der Josephson-Stromdichteverteilung mittels TTREM in diesen Strukturen. Mit Hilfe eines entsprechenden Signalentstehungs-Modells konnten wichtige Parameter der 0- und π-Segmente ermittelt werden. Zudem konnte demonstriert werden, dass die verwendete SIFS-Technologie hervorragend für die Realisierung von 0-π-Josephson-Kontakten mit nahezu beliebiger Geometrie geeignet ist. Die elektromagnetische Kopplung in SF-Hybriden aus Pb-Dünnfimen auf ferromagnetischen BaFe12 O19-Substraten konnte erstmals als Funktion der Anzahl und Orientierung der Domänen im ferromagnetischen Substrat untersucht werden. Anhand dieser Messungen ließ sich ein detailliertes Verständnis des komplexen Magnetfeld-Temperatur (H − T) Phasendiagramms entwickeln. Insbesondere gelang erstmals der direkte Nachweis (d.h. die Abbildung) der Nukleation lokaler Supraleitung über einer magnetischen Domänenwand (Domänenwand-Supraleitung) mittels TTRLM.
Publications
- Crossover between different regimes of inhomogeneous superconductivity in planar superconductor/ferromagnet hybrids. Physical Review B
A. Yu. Aladyshkin, J. Fritzsche, R. Werner, R. B. G. Kramer, S. Guénon, R. Kleiner, D. Koelle, V. V. Moshchalkov
- Ga1−x Mnx As/piezoelectric actuator hybrids: A model system for magnetoelastic magnetization manipulation. Physical Review B 78, 045203 (2008)
C. Bihler, M. Althammer, A. Brandlmaier, S. Geprägs, M. Weiler, M. Opel, W. Schoch, W. Limmer, R. Gross, M. S. Brandt, S. T. B. Goennenwein
- Magnetic interference patterns in 0-π superconductor/insulator/ferromagnet/superconductor Josephson junctions: Effects of asymmetry between 0 and π regions. Physical Review B 81, 054522 (2010)
M. Kemmler, M. Weides, M. Weiler, M. Opel, S. T. B. Goennenwein, A. S. Vasenko, A. A. Golubov, H. Kohlstedt, D. Koelle, R. Kleiner, E. Goldobin
- Visualizing supercurrents in ferromagnetic Josephson junctions with various arrangements of 0 and π segments. Physical Review B 81, 094502 (2010)
C. Gürlich, S. Scharinger, M. Weides, H. Kohlstedt, R. G. Mints, E. Goldobin, D. Koelle, R. Kleiner
- Domain-wall and reverse-domain superconducting states of a Pb thin-film bridge on a ferromagnetic BaFe12O19 single crystal. Physical Review B 84, 020505(R) (2011)
R. Werner, A. Yu. Aladyshkin, S. Guénon, J. Fritzsche, I. M. Nefedov, V. V. Moshchalkov, R. Kleiner, D. Koelle
- Local Tunneling Magnetoresistance Probed by Low-Temperature Scanning Laser Microscopy. Applied Physics Letters, 2011
R. Werner, M. Weiler, A. Yu. Petrov, B. A. Davidson, R. Gross, R. Kleiner, S. T. B. Goennenwein, D. Koelle
- Magnetic microstructure and magnetotransport in Co2 FeAl Heusler compound thin films. Applied Physics Letters 98, 042501 (2011)
M. Weiler, F. D. Czeschka, A. Brandlmaier, I.-M. Imort, G. Reiss, A. Thomas, G. Woltersdorf, R. Gross, S. T. B. Goennenwein
- Magneto-optical imaging of voltage-controlled magnetization reorientation. European Physical Journal B, 2011
A. Brandlmaier, M. Brasse, S. Geprägs, M. Weiler, R. Gross, S. T. B. Goennenwein
- Nonvolatile, reversible electric-field controlled switching of remanent magnetization in multifunctional ferromagnetic/ferroelectric hybrids. Journal of Applied Physics 110, 043913 (2011)
A. Brandlmaier, S. Geprägs, G. Woltersdorf, R. Gross, S. T. B. Goennenwein
