Date
2023Metadata
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Dissertation
Asymmetric magnetization reversal processes in exchange-biased microstructures
Abstract
Over the last decades, the exchange bias (EB) effect has captured the attention of the research community striving for high-density logic memory devices and sensitive sensor technologies based on bi-, multilayered, or patterned magnetic thin film systems. Macroscopically, the EB manifests in a horizontal shift of the ferromagnetic remagnetization loop and an enhancement of the coercivity, both connected to the induced unidirectional anisotropy (UDA) at the exchange-coupled ferromagnetic/antiferromagnetic interface. Besides these characteristic properties, EB systems have often been correlated to asymmetrically shaped remagnetization curves, indicating non-equivalent reversal processes in the two separated hysteresis branches. Various studies attempted to understand the origin of this asymmetry, mostly interpreted as the interplay of the UDA and other prevailing axial anisotropies. Whereas the theoretical explanations are based on the analytical Stoner Wohlfarth model approach, assuming a ferromagnetic macro spin reversing by coherent rotation, the contributions of nonuniform reversals, i.e., incoherent rotation, domain nucleation, and domain wall expansion, have been proven in domain-imaging experiments. Especially, the latter ones are dominating in patterned magnetic geometries. Therefore, this dissertation is dedicated to achieving an in-depth understanding of the role of domain nucleation in asymmetric magnetization reversal processes in patterned EB systems, with a strong emphasis on periodic one-dimensionally confined EB microstructures. Magneto-optical Kerr measurements revealed a difference in the nucleation probabilities along the hysteresis loop branches in various types of EB topographically elevated and/or magnetically patterned microstructures with in-plane directed magnetization. The macroscopic magnetic properties and asymmetric nucleation probabilities have been discussed qualitatively within micromagnetic MuMax3 simulations and an empirical model for polycrystalline EB layer systems. In out-of-plane magnetized microstripes, the combination of the EB with the Dzyaloshinskii–Moriya interaction results in the rise of a branch-dependent, chiral asymmetric reversal process, quantitatively and qualitatively studied in vectorial vibrating sample magnetometry, Kerr and X-ray photoelectron emission microscopy investigations.
In den letzten Jahrzehnten steht der Austauschverschiebungseffekt (engl. exchange bias, EB) im Fokus der Forschung an Speichermedien mit hoher Aufzeichnungsdichte und Sensortechnologien, die auf mehrschichtigen oder strukturierten magnetischen Dünnschichtsystemen basieren. Makroskopisch tritt der EB-Effekt als eine horizontale Verschiebung der ferromagnetischen Hysteresekurve sowie deren Verbreiterung auf, welche auf die induzierte unidirektionale Anisotropie (UDA) an der austauschgekoppelten ferromagnetischen/antiferromagnetischen Grenzfläche zurückzuführen sind. Neben diesen charakteristischen Eigenschaften weisen EB-Systeme asymmetrisch geformte Hysteresekurven auf, die auf unterschiedliche Ummagnetisierungsprozesse in den einzelnen Hystereseästen hindeuten.
Verschiedene Studien versuchten den Ursprung dieser Asymmetrie zu ergründen, die meistens als das Zusammenspiel der UDA und anderer präsenter Anisotropien interpretiert wurde. Während die theoretischen Erklärungsansätze auf dem Stoner-Wohlfarth-Modell basieren, das von einem kohärent rotierenden Makrospin ausgeht, wurden die Beiträge von nicht gleichförmigen Umkehrungen, d.h., inkohärenter Rotation, Domänennukleation und -expansion in bildgebenden Experimenten nachgewiesen. Insbesondere letztere dominieren in strukturierten Geometrien.
Daher ist diese Dissertation darauf ausgerichtet, ein tiefgehendes Verständnis für die Rolle der Domänennukleation in asymmetrischen Ummagnetisierungsprozesse in strukturierten EB-Systemen zu erlangen, mit dem Schwerpunkt auf periodischen Mikrostreifen. Magneto-optische Kerr-Messungen zeigten ungleiche Nukleationswahrscheinlichkeiten entlang der Hystereseäste in verschiedenen topographisch erhöhten und/oder magnetisch modifizierten Mikrostrukturen mit planar gerichteter Magnetisierung. Die magnetischen Eigenschaften sowie die asymmetrischen Nukleationswahrscheinlichkeiten wurden qualitativ in mikromagnetischen MuMax3-Simulationen und einem empirischen Modell für polykristalline EB-Schichtsysteme diskutiert. In Mikrostreifen mit senkrechter Magnetisierung führt die Kombination des EB mit der Dzyaloshinskii-Moriya-Interaktion zu astabhängigen, chiralen asymmetrischen Ummagnetisierungen, die quantitativ und qualitativ mittels Kerr- und Photoemissionselektronenmikroskopie analysiert wurden.
Verschiedene Studien versuchten den Ursprung dieser Asymmetrie zu ergründen, die meistens als das Zusammenspiel der UDA und anderer präsenter Anisotropien interpretiert wurde. Während die theoretischen Erklärungsansätze auf dem Stoner-Wohlfarth-Modell basieren, das von einem kohärent rotierenden Makrospin ausgeht, wurden die Beiträge von nicht gleichförmigen Umkehrungen, d.h., inkohärenter Rotation, Domänennukleation und -expansion in bildgebenden Experimenten nachgewiesen. Insbesondere letztere dominieren in strukturierten Geometrien.
Daher ist diese Dissertation darauf ausgerichtet, ein tiefgehendes Verständnis für die Rolle der Domänennukleation in asymmetrischen Ummagnetisierungsprozesse in strukturierten EB-Systemen zu erlangen, mit dem Schwerpunkt auf periodischen Mikrostreifen. Magneto-optische Kerr-Messungen zeigten ungleiche Nukleationswahrscheinlichkeiten entlang der Hystereseäste in verschiedenen topographisch erhöhten und/oder magnetisch modifizierten Mikrostrukturen mit planar gerichteter Magnetisierung. Die magnetischen Eigenschaften sowie die asymmetrischen Nukleationswahrscheinlichkeiten wurden qualitativ in mikromagnetischen MuMax3-Simulationen und einem empirischen Modell für polykristalline EB-Schichtsysteme diskutiert. In Mikrostreifen mit senkrechter Magnetisierung führt die Kombination des EB mit der Dzyaloshinskii-Moriya-Interaktion zu astabhängigen, chiralen asymmetrischen Ummagnetisierungen, die quantitativ und qualitativ mittels Kerr- und Photoemissionselektronenmikroskopie analysiert wurden.
Additional Information
Deutscher Titel: Asymmetrische Ummagnetisierungsprozesse in austauschgekoppelten MikrostrukturenSponsorship
Promotionstipendium der Universität KasselCollections
Dissertationen (Experimentalphysik IV - Funktionale dünne Schichten & Physik mit Synchrotronstrahlung)Citation
@phdthesis{doi:10.17170/kobra-202311048960,
author={Akhundzada, Sapida},
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school={Kassel, Universität Kassel, Fachbereich Mathematik und Naturwissenschaften, Institut für Physik},
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Macroscopically, the EB manifests in a horizontal shift of the ferromagnetic remagnetization loop and an enhancement of the coercivity, both connected to the induced unidirectional anisotropy (UDA) at the exchange-coupled ferromagnetic/antiferromagnetic interface. Besides these characteristic properties, EB systems have often been correlated to asymmetrically shaped remagnetization curves, indicating non-equivalent reversal processes in the two separated hysteresis branches. Various studies attempted to understand the origin of this asymmetry, mostly interpreted as the interplay of the UDA and other prevailing axial anisotropies. Whereas the theoretical explanations are based on the analytical Stoner Wohlfarth model approach, assuming a ferromagnetic macro spin reversing by coherent rotation, the contributions of nonuniform reversals, i.e., incoherent rotation, domain nucleation, and domain wall expansion, have been proven in domain-imaging experiments. Especially, the latter ones are dominating in patterned magnetic geometries. Therefore, this dissertation is dedicated to achieving an in-depth understanding of the role of domain nucleation in asymmetric magnetization reversal processes in patterned EB systems, with a strong emphasis on periodic one-dimensionally confined EB microstructures. Magneto-optical Kerr measurements revealed a difference in the nucleation probabilities along the hysteresis loop branches in various types of EB topographically elevated and/or magnetically patterned microstructures with in-plane directed magnetization. The macroscopic magnetic properties and asymmetric nucleation probabilities have been discussed qualitatively within micromagnetic MuMax3 simulations and an empirical model for polycrystalline EB layer systems. In out-of-plane magnetized microstripes, the combination of the EB with the Dzyaloshinskii–Moriya interaction results in the rise of a branch-dependent, chiral asymmetric reversal process, quantitatively and qualitatively studied in vectorial vibrating sample magnetometry, Kerr and X-ray photoelectron emission microscopy investigations. In den letzten Jahrzehnten steht der Austauschverschiebungseffekt (engl. exchange bias, EB) im Fokus der Forschung an Speichermedien mit hoher Aufzeichnungsdichte und Sensortechnologien, die auf mehrschichtigen oder strukturierten magnetischen Dünnschichtsystemen basieren. Makroskopisch tritt der EB-Effekt als eine horizontale Verschiebung der ferromagnetischen Hysteresekurve sowie deren Verbreiterung auf, welche auf die induzierte unidirektionale Anisotropie (UDA) an der austauschgekoppelten ferromagnetischen/antiferromagnetischen Grenzfläche zurückzuführen sind. Neben diesen charakteristischen Eigenschaften weisen EB-Systeme asymmetrisch geformte Hysteresekurven auf, die auf unterschiedliche Ummagnetisierungsprozesse in den einzelnen Hystereseästen hindeuten. Verschiedene Studien versuchten den Ursprung dieser Asymmetrie zu ergründen, die meistens als das Zusammenspiel der UDA und anderer präsenter Anisotropien interpretiert wurde. Während die theoretischen Erklärungsansätze auf dem Stoner-Wohlfarth-Modell basieren, das von einem kohärent rotierenden Makrospin ausgeht, wurden die Beiträge von nicht gleichförmigen Umkehrungen, d.h., inkohärenter Rotation, Domänennukleation und -expansion in bildgebenden Experimenten nachgewiesen. Insbesondere letztere dominieren in strukturierten Geometrien. Daher ist diese Dissertation darauf ausgerichtet, ein tiefgehendes Verständnis für die Rolle der Domänennukleation in asymmetrischen Ummagnetisierungsprozesse in strukturierten EB-Systemen zu erlangen, mit dem Schwerpunkt auf periodischen Mikrostreifen. Magneto-optische Kerr-Messungen zeigten ungleiche Nukleationswahrscheinlichkeiten entlang der Hystereseäste in verschiedenen topographisch erhöhten und/oder magnetisch modifizierten Mikrostrukturen mit planar gerichteter Magnetisierung. Die magnetischen Eigenschaften sowie die asymmetrischen Nukleationswahrscheinlichkeiten wurden qualitativ in mikromagnetischen MuMax3-Simulationen und einem empirischen Modell für polykristalline EB-Schichtsysteme diskutiert. In Mikrostreifen mit senkrechter Magnetisierung führt die Kombination des EB mit der Dzyaloshinskii-Moriya-Interaktion zu astabhängigen, chiralen asymmetrischen Ummagnetisierungen, die quantitativ und qualitativ mittels Kerr- und Photoemissionselektronenmikroskopie analysiert wurden. open access Akhundzada, Sapida 2023-10-18 iii, 216 Seiten Kassel, Universität Kassel, Fachbereich Mathematik und Naturwissenschaften, Institut für Physik Ehresmann, Arno (Prof. Dr.) Fischer, Thomas (Prof. Dr.) Giesen, Thomas (Prof. Dr.) Pastor, Gustavo Miguel (Prof. Dr.) Magnetismus Magnetische Anisotropie Austauschwechselwirkung Mikrostruktur Magnetooptischer Kerr-Effekt Asymmetrie Chiralität <Elementarteilchenphysik> publishedVersion false true </resource>
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