Methoden zur Abbildung magnetischer Domänen

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1 Methoden zur Abbildung magnetischer Domänen Licht: Spin-Bahn-Wechselwirkung Kerr-Effekt, Faraday-Effekt X-Ray Magnetic Circular (Linear) Dichroism (PEEM) Elektronen: Lorentz-Mikroskopie (Lorentzkraft) SEMPA: Secondary Electron Microscopy with Polarization Analysis SP STM: Nachweis der Spinpolarisation (andere) Rastersondenmethoden MFM: magneto-statische-wechselwirkung

2 Methoden zur Abbildung magnetischer Domänen Gliederung: Kurzübersicht Traditionelle Techniken: Bitter-Streifen-Technik Kerr-Mikroskopie Lorentz-Mikroskopie Photoelektronenemissionsmikroskopie (PEEM) Magnetic Force Microscopy (MFM) Spin Polarized Scanning Tunneling Microscopy Freeman and Choi, Advances in Magnetic Microscopy, Science 294, 1484 (2001)

3 Ferromagnetische Domänen L. Alff, Grundlagen des Magnetismus, Skript Ursache der Domänenbildung ist die Reduzierung der magnetischen Streufeldenergie...

4 Ch. Kittel, Rev. Mod. Phys. 21, 514 (1949) Ferromagnetische Domänen... wie hier am Beispiel eines Si-Fe-Kristalls gezeigt.

5 Domänenwände Bloch-Wand Drehung der Magnetisierung in der Ebene der Wand, stabil im Volumen Néel-Wand Drehung der Magnetisierung in einer Ebene senkrecht zur Wand, es ragt kein Streufeld aus der Oberfläche heraus stabil an der Oberfläche Jäger, Perthel, Magnetische Eigenschaften von Festkörpern

6 Bitter-Streifen-Technik Francis Bitter B. Elschner in Gerthsen `Physik` Beschichtung einer ferromagnetischen Probe mit einer kolloidalen Lösung ferromagnetischer Teilchen (z.b. Magnetit Fe 3 O 4 ) diese sammeln sich an Stellen hoher großer Gradienten des Streufeldes (Bloch- Wänden) im Lichtmikroskop können dann die Bereichswände aufgrund der Ansammlung von Teilchen beobachtet werden

7 Kerr-Mikroskopie John Kerr Kerr-Effekt (1877): Drehung der Polarisationsebene linear polarisierten Lichts aufgrund der Reflexion an einer ferromagnetischen Oberfläche in der Lichtmikroskopie mit Polarisationsanalyse können magnetische Domänen beobachtet werden Messungen im Magnetfeld möglich Auflösung bis etwa 100nm Williams et al. Phys. Rev. 82, 119 (1951)

8 Magneto-optischer Kerr-Effekt

9 Kerr-Mikroskopie Kronmüller in Bergmann/Schaefer, Band 6, Festkörper Magnetooptische Kerr-Effekt-Abbildung der Bereichsstruktur auf der (110)-Ebene eines Ni-Kristalls. Die rechte Seite zeigt die Bereichsanordnung schematisch.

10 Lorentz-Mikroskopie Hendrik Antoon Lorentz ( ) Elektronen ( keV) werden beim Durchgang durch eine dünne (<150nm) ferromagnetische Schicht abgelenkt diese Ablenkung kann in Transmissions-Elektronen-Mikroskopie beobachtet werden empfindlich auf parallele Magnetisierung (in-plane) Auflösung < 10nm Elektronenholographie: Interferenzmuster aufgrund Phasenverschiebung Kirk et al., Appl. Phys. Lett. 75, 3683 (1999)

11 Photo Electron Emission Microscopy Materialkontrast Belichtung mit Quecksilberlampe (4.9eV) führt zu unterschiedlichen Photo-e- Intensitäten in Abhängigkeit von der Austrittsarbeit Chemischer Kontrast Anregung mit Röntgenstrahlung an charakteristischen Absorptionskanten Kuch et al., Surf. Rev. Lett. 5, 1241 (1998) Magnetischer Kontrast Nutzung zirkular polarisierter Rö-Strahlung (XMCD) Photo-e-Intensität abhängig von relativer Orientierung von Photonenspin und Magnetisierungsvektor Asymmetrie-Bild σ + -σ - / σ + +σ - mit Linearem Dichroismus (XMLD) Abbildung antiferromagnetischer Domänen möglich

12 Photo Electron Emission Microscopy Grundlage für magnetischen Kontrast: X-Ray Magnetic Circular Dichroism Röntgen-Absorption abhängig von Magnetisierung Bsp. Fe-Film / W(110) M+ / M -- Stöhr, J. Electr. Spectr. 75, 253 (1995)

13 XMCD images of magnetic domains on a magnetic recording disk, recorded with right polarized x-rays of different energies. We obtained the images shown by dividing the original images by a corresponding image taken at a photon energy of 810eV to remove the nonuniform response of the optical system across the field of view. Photo Electron Emission Microscopy Magnetische Domänen auf einer CoPtCr Festplatte 10x10 µm 2 The Co L-edge dichroism spectra, which correlate photon energies and images. Stöhr, Science 259, 658 (1993)

14 Photo Electron Emission Microscopy Magnetische Domänen auf einer CoPtCr Festplatte 10x1 µm 2 High-resolution XMCD images obtained by subtracting images obtained at the L3 and L2 edges for enhanced contrast. Stöhr, Science 259, 658 (1993)

15 Photo Electron Emission Microscopy hν Permalloy Flux closure domains` 40x40 µm 2 Ch. Ziethen et al., J. Electr. Spect. 88, 983 (1998)

16 Photo Electron Emission Microscopy Co/Cr- Keilschichten auf einem Fe(001) Whisker Zwischenschichtaustauschkopplung 5ML Co Co 0-3ML Cr Fe (001) Fe Cr Kuch et al., Surf. Rev. Lett. 5, 1241 (1998)

17 Magnetic Force Microscopy F = (m H) m magnetisches Moment der Spitze H Streufeld der Probe nanoscience.com Material: single crystal silicon Magnetic Coating: CoCrTa, Fe Radius: < 10 nm Cone angle: for min. of 3µm from apex, < 12

18 Magnetic Force Microscopy Two MFM images of closely spaced bit tracks on a tape, which is used as mass data storage device. While the read head can only disinguish "1" and "0" along the tracks, MFM is able to resolve the fine structure of the magnetic bit structure. Regarding device optimations the area where neighbouring meet (right image) are of particular importance to increase the bit density. AG Wiesendanger:

19 Magnetic Force Microscopy Circular Co dots / GaAs Ø=150nm Topographie MFM 2x2 µm 2 Magnetisierung direkt nach der Präparation (as prepared state) in-plane mit statistischer Orientierung Kleiber, Phys. Rev. B 58, 5563 (1998)

20 Magnetic Force Microscopy Elliptical Co dots / GaAs 140nm x 250nm Topographie MFM 6x6 µm 2 Magnetisierung direkt nach der Präparation (as prepared state) in-plane entlang der großen Hauptachse (Formanisotropie) Kleiber, Phys. Rev. B 58, 5563 (1998)

21 Magnetic Force Microscopy Elliptical Co dots / GaAs 140nm x 250nm Lokales Umschalten eines Dots ist durch Kombination eines externen Feldes und dem Streufeld der Spitze möglich Kleiber, Phys. Rev. B 58, 5563 (1998)

22 Spin Polarized Scanning Tunneling Microscopy erstmals beobachtet an Cr(001) Modell: Topologischer Antiferromagnetismus, d.h. benachbarte Terrassen sind entgegengesetzt magnetisiert konnte nicht mit räumlich mittelnden Methoden beoachtet werden (spinaufgelöste Photoemission) Blügel et al., Phys. Rev. B 39, 1392 (1989), Wiesendanger et al., Phys. Rev. Lett. 65, 247 (1990)

23 Spin Polarized Scanning Tunneling Microscopy erstmals beobachtet an Cr(001) STM mit W-Spitze STM mit W-Spitze: vorwiegend einatomare Stufen STM mit ferromagnetischer CrO2-Spitze Modell: Topologischer Antiferromagnetismus, d.h. benachbarte Terrassen sind entgegengesetzt magnetisiert konnte nicht mit räumlich mittelnden Methoden beoachtet werden (spinaufgelöste Photoemission) Blügel et al., Phys. Rev. B 39, 1392 (1989), Wiesendanger et al., Phys. Rev. Lett. 65, 247 (1990)

24 Spin Polarized Scanning Tunneling Microscopy erstmals beobachtet an Cr(001) Unterschiedlicher Tunnelstrom in Abhängigkeit von Magnetisierung der Terrassen führt im `Constant current mode` zu unterschiedlichen Stufenhöhen h 1 und h 2 Blügel et al., Phys. Rev. B 39, 1392 (1989), Wiesendanger et al., Phys. Rev. Lett. 65, 247 (1990)

25 Spin Polarized Scanning Tunneling Microscopy am Beispiel des austauschaufgespaltenen Gd (0001) Oberflächenzustandes ex = 700 mev Gd-Oberfläche mit spinpolarisierter Zustandsdichte um E F M+ / M -- Fe-Spitze mit konstanter Spinpolarisation um E F Erhöhter Tunnelstrom der Spinkomponente parallel zur Spitzenmagnetisierung Spin valve effect Bode, Phys. Rev. Lett. 81, 4256 (1998)

26 Spin Polarized Scanning Tunneling Microscopy am Beispiel des austauschaufgespaltenen Gd (0001) Oberflächenzustandes erwartete Tunnelspektren: M+ / M -- Leitfähigkeit ~ lokale Zustandsdichte angelegte Spannung (bias voltage) Bode, Phys. Rev. Lett. 81, 4256 (1998)

27 Spin Polarized Scanning Tunneling Microscopy am Beispiel des austauschaufgespaltenen Gd (0001) Oberflächenzustandes gemessene Tunnelspektren: Bode, Phys. Rev. Lett. 81, 4256 (1998)

28 Spin Polarized Scanning Tunneling Microscopy am Beispiel des austauschaufgespaltenen Gd (0001) Oberflächenzustandes U= -0.2 V U= V 2x2 µm 2 (besetzte Zustandsdichte) (unbesetzte Zustandsdichte) Bode, Phys. Rev. Lett. 81, 4256 (1998)

29 Spin Polarized Scanning Tunneling Microscopy am Beispiel des austauschaufgespaltenen Gd (0001) Oberflächenzustandes Asymmetriebild: Auflösung < 20nm Bode, Phys. Rev. Lett. 81, 4256 (1998)

30 Spin Polarized Scanning Tunneling Microscopy 1,5 ML Fe / W (110) mit Gd bedeckte W-Spitze: Magnetisierung senkrecht zur OF (out-of-plane) `Constant current Bild Tunnelspektren Kubetzka et al., Phys. Rev. B 63, (2001)

31 Spin Polarized Scanning Tunneling Microscopy 1,5 ML Fe / W (110) mit Gd bedeckte W-Spitze: Magnetisierung senkrecht zur OF (out-of-plane) `Constant current Bild Asymmetriebild bei U = -0,25V Fe-Inseln parallel und antiparallel zur Spitzenmagnetisierung Kubetzka et al., Phys. Rev. B 63, (2001)

32 Spin Polarized Scanning Tunneling Microscopy Fe / W(110) alle Inseln eindomänig kleine Inseln in-plane magnetisiert (parallel zu Magnetisierung der Monolage) Bedeckung eine Insel mit 2 Domänen Ketten von parallel magnetisierten Inseln an Stufenkanten - Austauschkopplung Koaleszenz der Inseln Versetzungslinien Ausbildung von Domänenwänden in Inseln ~ 30nm (Blochwände, Wandbreite ~7nm) immer noch senkrechte Magnetisierung Domänengröße durch Terrassenweite bestimmt Kubetzka et al., Phys. Rev. B 63, (2001)

33 XMCD in der Röntgen-Holographie Eisebitt et al., Nature 432, 885 (2004)

34 Zusammenfassung Methoden zur Abbildung magnetischer Domänen empfindlich auf... das magnetische Streufeld Bitter-Streifen-Technik Magnetic Force Microscopy die Magnetisierung Lorentz-Mikroskopie (eigentlich Messung des B-Feldes) Magnetooptik Kerr-Mikroskopie Photoelektronenmikroskopie XMCD: linearer m.o. Effekt, prop. zur M XMLD: quadratischer m.o. Effekt, prop. M 2 Nachweis der Spinpolarisation SEMPA (Secondary electron microscopy with polarization analysis) SP STM (Spin polarized STM)