Validation of a generalized model for the description of polycrystalline exchange-biased magnetic thin films
| dc.date.accessioned | 2022-11-14T10:47:10Z | |
| dc.date.available | 2022-11-14T10:47:10Z | |
| dc.date.issued | 2022 | |
| dc.identifier | doi:10.17170/kobra-202211097084 | |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/123456789/14245 | |
| dc.language.iso | eng | |
| dc.rights | Namensnennung - Nicht-kommerziell - Weitergabe unter gleichen Bedingungen 4.0 International | * |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/ | * |
| dc.subject.ddc | 500 | |
| dc.subject.ddc | 530 | |
| dc.title | Validation of a generalized model for the description of polycrystalline exchange-biased magnetic thin films | eng |
| dc.type | Dissertation | |
| dcterms.abstract | Applications based on nano- and microscaled systems have become indispensable in many aspects in everyday life, industry, research and medicine. In this regard, thin film technology plays a crucial role with the physical properties of solids changing significantly when they are reduced to thin layers with thicknesses in the nanometer range. In this regime, a solid’s microstructure as well as boundary and surface effects start to dominate. A prominent example is the exchange bias effect, which results due to the combination of a thin ferro- and antiferromagnet in a defined preferred direction of the ferromagnetic magnetization owing to exchange interaction between interfacial magnetic moments. This is generally reflected in the broadening and the horizontal shift of the ferromagnetic hysteresis. Commonly, the phenomenon is exploited within read heads based on the giant- and tunnel magnetoresistance effect for the implementation in magnetic storage and sensor devices. Additionally, it further has great potential to be integrated in emerging spintronic applications and versatile miniaturized technology platforms applicable, e.g., in a biomedical context. In the case of polycrystalline systems, the exchange bias effect is strongly determined by the size distribution of antiferromagnetic grains as well as their crystal structure. The thesis at hand investigates the validity of a generalized theoretical description of the observable phenomenology which discretizes the continuous distribution of antiferromagnetic grain sizes into thermally stable and unstable grains in dependence on experimental temperatures and times, e.g., during measurement. For this purpose, an existing model approach was mathematically reformulated and further developed. Phenomenological relations have been derived from it, interlinking macroscopically measurable quantities with averaged parameters of the microstructure. Experimentally, prototypical exchange-biased bilayers have been fabricated via sputter deposition upon variation of different fabrication parameters. Structural and magnetic characterization techniques have been used to specify deposition conditions resulting in homogeneous and columnar grain growth simultaneously guaranteeing a preserved crystallinity, layer quality and distribution of interfacial contact areas. This allowed to tailor the grain size distribution with the help of the antiferromagnetic layer’s thickness and to systematically investigate the contributions of different grain classes in dependence on measurement angle and time. In addition to the validation of the generalized model approach, it was further evidenced that the antiferromagnetic order that actively contributes to the interfacial exchange coupling extends only partially over the actual structural volumes of the antiferromagnetic grains. Furthermore, the simultaneous presence of thermally unstable and stable grains was found to be a necessary condition for an asymmetric magnetization reversal resulting from different probabilities for the nucleation of magnetic domains on one of the hysteresis branches. Finally, the remagnetization behavior upon the application of non-saturating magnetic field sequences has been investigated experimentally and theoretically. Thereby, a viscous magnetization decrease upon increasing driving field has been observed, which was correlated in agreement with the generalized model description to a dominating contribution of thermally unstable antiferromagnetic grains. | eng |
| dcterms.abstract | Anwendungen auf Basis von nano- und mikroskaligen Systemen sind in vielerlei Hinsicht aus dem Alltag, der Industrie sowie aus Forschung und Medizin nicht mehr wegzudenken. Eine entscheidende Rolle dabei übernimmt die Dünnschichttechnologie, welche nutzt, dass sich die physikalischen Eigenschaften von Festkörpern signifikant ändern, wenn diese auf dünne Schichten der Dicke weniger Nanometer reduziert werden, da die Eigenschaften der Mikrostruktur sowie Grenz- und Oberflächeneffekte hier dominant sind. Ein prominentes Beispiel ist der Austauschverschiebungseffekt (engl. exchange bias), welcher durch die Kombination eines dünnen Ferro- und Antiferromagneten aufgrund der Austauschwechselwirkung zwischen magnetischen Grenzflächenmomenten in einer definierten Vorzugsrichtung der ferromagnetischen Magnetisierung resultiert. Dies schlägt sich in der Verbreiterung sowie der horizontalen Verschiebung der ferromagnetischen Hysterese nieder. Das Phänomen wird für Leseköpfe auf Basis des Riesenmagneto- sowie des magnetischen Tunnelwiderstandeffekts zur Anwendung in magnetischen Speichermedien und der Sensortechnologie ausgenutzt. Es hat weiterhin Potential für aufkommende Spintronik-Anwendungen oder für die Integration in miniaturisierten Technologieplattformen - bspw. in einem biomedizinischen Kontext - eingesetzt zu werden. Der Effekt wird im Falle von polykristallinen Systemen stark durch die Größenverteilung antiferromagnetischer Körner und deren Kristallstruktur bestimmt. Die vorliegende Arbeit untersucht daher die Gültigkeit einer generalisierten theoretischen Beschreibung der beobachtbaren Phänomenologie, welche die kontinuierliche Verteilung antiferromagnetischer Korngrößen diskretisiert und das Ensemble in Abhängigkeit von Messtemperatur und -zeit in thermisch stabile und instabile Körner unterteilt. Dafür wurde ein bereits vorhandener Modellansatz mathematisch reformuliert und weiterentwickelt sowie phänomenologische Relationen daraus abgeleitet, wobei makroskopische Messgrößen mit gemittelten Parametern der Mikrostruktur verknüpft werden konnten. Experimentell wurden prototypische austauschverschobene Zweischichtsysteme unter der Variation verschiedener Fabrikationsparameter mittels Kathodenzerstäubung (engl. sputter deposition) hergestellt. Mithilfe von strukturellen sowie magnetischen Charakterisierungstechniken konnten Depositionsbedingungen gefunden werden, bei welchen homogenes und kolumnares Kornwachstum bei gleichbleibender Kristallinität, Schichtqualität und Grenzflächenverteilung vorliegt. Dies ermöglichte, die Korngrößenverteilung mithilfe der Schichtdicke des Antiferromagneten maßzuschneidern und die Beiträge der Kornklassen für unterschiedliche Messgeometrien und -zeiten systematisch zu untersuchen. Neben der Validierung des generalisierten Modellansatzes konnte weiterhin gezeigt werden, dass die antiferromagnetische Ordnung, welche aktiv zum Austauschverschiebungseffekt beiträgt, sich im Allgemeinen nur über einen Teil der tatsächlichen Kornvolumina erstreckt. Zusätzlich stellte sich das gleichzeitige Vorhandensein von thermisch instabilen und stabilen Körnern als Bedingung für eine asymmetrische Hysterese heraus, wobei diese von unterschiedlichen Wahrscheinlichkeiten für die Nukleation magnetischer Domänen auf einem der Hystereseäste herrührt. Abschließend wurde das Ummagnetisierungsverhalten bei Verwendung von nicht-sättigenden Magnetfeldsequenzen experimentell und theoretisch untersucht. Dabei konnte eine träge Magnetisierungsumkehr entgegen der Änderung des externen Feldes beobachtet werden, welche im Einklang mit dem generalisierten Modell mit einem dominierenden Beitrag thermisch instabiler Körner korreliert. | ger |
| dcterms.accessRights | open access | |
| dcterms.creator | Merkel, Maximilian Alexander | |
| dcterms.dateAccepted | 2022-10-21 | |
| dcterms.extent | ix, 237 Seiten | |
| dc.contributor.corporatename | Kassel, Universität Kassel, Fachbereich Mathematik und Naturwissenschaften, Institut für Physik | |
| dc.contributor.referee | Ehresmann, Arno (Prof. Dr.) | |
| dc.contributor.referee | Kuschel, Timo (Dr.) | |
| dc.subject.swd | Dünnschichttechnik | ger |
| dc.subject.swd | Mikrostruktur | ger |
| dc.subject.swd | Festkörper | ger |
| dc.subject.swd | Phänomenologie | ger |
| dc.subject.swd | Ferromagnetismus | ger |
| dc.type.version | publishedVersion | |
| kup.iskup | false | |
| ubks.epflicht | true |
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