Strukturelle und magnetische Veränderungen in Schichtsystemen mit Grenzflächenaustauschkopplung nach dem Beschuss mit keV-Heliumionen
| dc.contributor.corporatename | Kassel, Universität Kassel, Fachbereich Mathematik und Naturwissenschaften, Institut für Physik | |
| dc.contributor.referee | Ehresmann, Arno (Prof. Dr.) | |
| dc.contributor.referee | Albrecht, Manfred (Prof. Dr.) | |
| dc.contributor.referee | Pastor, Gustavo (Prof. Dr.) | |
| dc.contributor.referee | Giesen, Thomas (Prof. Dr.) | |
| dc.date.accessioned | 2018-03-21T13:46:18Z | |
| dc.date.available | 2018-03-21T13:46:18Z | |
| dc.date.examination | 2018-01-19 | |
| dc.date.issued | 2018-03-21 | |
| dc.identifier.uri | urn:nbn:de:hebis:34-2018032154780 | |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/123456789/2018032154780 | |
| dc.language.iso | ger | |
| dc.rights | Urheberrechtlich geschützt | |
| dc.rights.uri | https://rightsstatements.org/page/InC/1.0/ | |
| dc.subject | Grenzflächenaustauschkopplung | ger |
| dc.subject | Ionenbeschuss | ger |
| dc.subject.ddc | 530 | |
| dc.subject.pacs | 75.70.-i | ger |
| dc.subject.swd | Dünne Schichten | ger |
| dc.subject.swd | Magnetische Eigenschaft | ger |
| dc.subject.swd | Ionenbestrahlung | ger |
| dc.subject.swd | Heliumion | ger |
| dc.subject.swd | Ferromagnetisches Schichtsystem | ger |
| dc.title | Strukturelle und magnetische Veränderungen in Schichtsystemen mit Grenzflächenaustauschkopplung nach dem Beschuss mit keV-Heliumionen | ger |
| dc.type | Dissertation | |
| dcterms.abstract | Magnetische Schichtsysteme mit Grenzflächenaustauschkopplung sind in ihrer Art dahingehend einzigartig, dass sie unter bestimmten Bedingungen nur eine einzige präferierte Orientierung der remanenten Magnetisierung aufweisen, das heißt, dass die Ausrichtung ihrer Magnetisierung in Abwesenheit eines externen Magnetfeldes eindeutig definiert ist. Hervorgerufen wird dies durch die Austauschkopplung einer dünnen ferromagnetischen mit einer dünnen antiferromagnetischen Schicht, wodurch der sogenannte exchange-bias-Effekt (EB-Effekt) auftritt. Eine entscheidende Rolle spielt dieser Effekt beispielsweise in Riesen- und Tunnelmagnetowiderstandssensoren. Der Beschuss von EB-Dünnschichtsystemen mit Heliumionen einer Energie von wenigen 10 keV in Anwesenheit eines externen Magnetfeldes, das den Ferromagneten sättigt, kann experimentell genutzt werden, um magnetische Domänen mit einer beliebigen Form und Ausrichtung der Magnetisierung in der Probenebene zu erzeugen, die topographisch mit einer Genauigkeit von wenigen Nanometern eben sind. Dies wird in der Literatur durch den Prozess des ion bombardment induced magnetic patterning (IBMP) beschrieben. Im Rahmen dieser Dissertation wurde experimentell und auf Basis von Simulationen untersucht, wie es durch den Beschuss der magnetischen Dünnschichtsysteme mit Heliumionen zu einer Änderung der magnetischen Eigenschaften kommt. Es konnte gezeigt werden, dass drei entscheidende Wechselwirkungen der Ionen mit dem Festkörper berücksichtigt werden müssen: die Erzeugung von Gitterfehlstellen, eine Anregung des Festkörpers durch die kinetische Energie der Ionen und die Implantation des Heliums. Die Erzeugung von Gitterfehlstellen ist von Bedeutung, da dadurch Materialeigenschaften, wie beispielsweise die Austauschsteifigkeit, die kristalline Anisotropie oder die Sättigungsmagnetisierung, verändert werden können. Hierzu werden in der Arbeit Abschätzungen zur Fehlstellendichte in ferro- und antiferromagnetischen Schichten präsentiert. Anhand einer Quantifizierung der energetischen Anregung des elektronischen Systems beim Ionenbeschuss konnte ein plausibler Mechanismus für die Relaxation magnetischer Momente im Antiferromagneten während des IBMP präsentiert werden. Weiterhin konnte ein Druckanstieg im Festkörper als Resultat der Heliumimplantation experimentell durch ein Anschwellen der Probe nachgewiesen werden. Es wurde zusätzlich demonstriert, dass dieser interne Druck auch zu einem Magnetovolumeneffekt im Ferromagneten führt und erstmals konnte hierzu der Rückgang der Sättigungsmagnetisierung quantifiziert werden. Weiterführende experimentelle Untersuchungen, die in der Dissertation umfassend präsentiert werden, konnten durch eine Variation der Eindringtiefe von Heliumionen in ein EB-System nachweisen, dass für die Stärke der Grenzflächenaustauschkopplung nicht ausschließlich die Wechselwirkung von Ferro- und Antiferromagnet an der Grenzfläche entscheidend ist, sondern dass auch das Volumen der antiferromagnetischen Schicht einen signifikanten Beitrag leistet. Zum Abschluss der Arbeit werden umfangreiche experimentelle Untersuchungen zur Größenlimitierung von magnetischen Domänenstrukturen, die mittels IBMP erzeugt werden können, und deren Materialabhängigkeiten präsentiert. Mit den dargelegten Ergebnissen konnten entscheidende Mechanismen für den Prozess des IBMP und Bedingungen für die Erzeugung von magnetischen Domänenstrukturen identifiziert werden. | ger |
| dcterms.abstract | Magnetic layer systems with interlayer exchange coupling are unique with respect to their ability to exhibit only a single preferred orientation of their remanent magnetization under certain conditions, i.e. the alignment of their magnetization in the absence of an external magnetic field is exactly defined. This so-called exchange bias (EB) effect is evoked by the exchange coupling between a thin ferromagnetic layer and an antiferromagnetic one at a common interface. For instance, this effect is of great importance for giant and tunnel magnetoresistance sensors. The bombardment of EB thin film systems with helium ions of an energy in the range of a few 10 keV in the presence of an external magnetic field which saturates the ferromagnet can be used experimentally to create magnetic domains with arbitrary shapes and in plane orientations of the magnetization. The resulting structures are topographically flat with an accuracy of a few nanometers. This process is described in literature as "ion bombardment induced magnetic patterning" (IBMP). In this dissertation, investigations using simulations and experiments were performed to identify how the bombardment of magnetic thin film systems with helium ions can lead to a change of the magnetic properties. It was shown that three distinctive interactions of the ions with the solid have to be taken into account: the creation of lattice defects, the excitation of the solid by the kinetic energy of the ions, and the implantation of the helium into the solid. The creation of lattice defects is important as material properties can be altered, e.g. the exchange stiffness, the crystalline anisotropy or the saturation magnetization. Concerning this, estimations on the lattice defect densities in the ferro- and antiferromagnetic layers are presented in this dissertation. By quantifying the excitation of the solids electronic system, which is taking place during the ion bombardment, a plausible mechanism for the relaxation of magnetic moments in the antiferromagnet during IBMP is presented. In addition, an increase of the internal strain of the solid as a result of the helium implantation was verified experimentally. It was demonstrated that this strain also leads to a magneto-volume effect in the ferromagnet. The resulting reduction of the saturation magnetization was quantified for the first time in this work. Additionally, experimental investigations, which are presented in detail in the dissertation, could demonstrate that the strength of the interlayer exchange coupling is not only defined by the common interface of the ferro- and antiferromagnet but also significantly influenced by the bulk of the antiferromagnet by varying the penetration depth of the ions into the EB system. In the end of the dissertation, extensive experimental investigations on the size limitation of magnetic domain patterns, fabricated by IBMP, and their dependence on the materials used are presented. From the insights gained in this dissertation, crucial mechanisms of the IBMP process and conditions for the formation of magnetic domain structures thereof could be derived. | eng |
| dcterms.accessRights | open access | |
| dcterms.creator | Huckfeldt, Henning Nils Jan |