Entwicklung der zeitaufgelösten Photoemissions-Elektronenmikroskopie für die Untersuchung der Magnetisierungsdynamik von mikrostrukturierten magnetischen Schichten

Im Rahmen dieser Arbeit wurde die zeitaufgelöste Photoemissions Elektronenmikroskopie (TR-PEEM) für die in-situ Untersuchung ultraschneller dynamischer Prozesse in dünnen mikrostrukturierten magnetischen Schichten während eines rasch verändernden externen Magnetfelds entwickelt. Das Experiment basiert auf der Nutzung des XMCD-Kontrasts (X-ray magnetic circular dichroism) mit Hilfe des zirkularpolarisierten Lichts von Synchrotronstrahlungsquellen (Elektronenspeicherringen BESSY II (Berlin) und ESRF (Grenoble)) für die dynamische Darstellung der magnetischen Domänen während ultraschneller Magnetisierungsvorgänge. Die hier entwickelte Methode wurde als erfolgreiche Kombination aus einer hohen Orts- und Zeitauflösung (weniger als 55 nm bzw. 15 ps) realisiert. Mit der hier beschriebenen Methode konnte nachgewiesen werden, dass die Magnetisierungsdynamik in großen Permalloy-Mikrostrukturen (40 µm x 80 µm und 20 µm x 80 µm, 40 nm dick) durch inkohärente Drehung der Magnetisierung und mit der Bildung von zeitlich abhängigen Übergangsdomänen einher geht, die den Ummagnetisierungsvorgang blockieren. Es wurden neue markante Differenzen zwischen der magnetischen Response einer vorgegebenen Dünnfilm-Mikrostruktur auf ein gepulstes externes Magnetfeld im Vergleich zu dem quasi-statischen Fall gefunden. Dies betrifft die Erscheinung von transienten raumzeitlichen Domänenmustern und besonderen Detailstrukturen in diesen Mustern, welche im quasi-statischen Fall nicht auftreten. Es wurden Beispiele solcher Domänenmuster in Permalloy-Mikrostrukturen verschiedener Formen und Größen untersucht und diskutiert. Insbesondere wurde die schnelle Verbreiterung von Domänenwänden infolge des präzessionalen Magnetisierungsvorgangs, die Ausbildung von transienten Domänenwänden und transienten Vortizes sowie die Erscheinung einer gestreiften Domänenphase aufgrund der inkohärenten Drehung der Magnetisierung diskutiert. Ferner wurde die Methode für die Untersuchung von stehenden Spinwellen auf ultradünnen (16 µm x 32 µm groß und 10 nm dick) Permalloy-Mikrostrukturen herangezogen. In einer zum periodischen Anregungsfeld senkrecht orientierten rechteckigen Mikrostruktur wurde ein induziertes magnetisches Moment gefunden. Dieses Phänomen wurde als „selbstfangende“ Spinwellenmode interpretiert. Es wurde gezeigt, dass sich eine erzwungene Normalmode durch Verschiebung einer 180°-Néelwand stabilisiert. Wird das System knapp unterhalb seiner Resonanzfrequenz angeregt, passt sich die Magnetisierungsverteilung derart an, dass ein möglichst großer Teil der durch das Anregungsfeld eingebrachten Energie im System verbleibt. Über einem bestimmten Grenzwert verursacht die Spinwellenmode nahe der Resonanzfrequenz eine effektive Kraft senkrecht zur 180°-Néel-Wand. Diese entsteht im Zentrum der Mikrostruktur und wird durch die streufeldinduzierte Kraft kompensiert. Als zusätzliche Möglichkeit wurden die Streufelder von magnetischen Mikrostrukturen während der dynamischen Prozesse quantitativ bestimmt und das genaue zeitliche Profil des Streufelds untersucht. Es wurde gezeigt, dass das zeitaufgelöste Photoemissions Elektronenmikroskop als ultraschnelles oberflächensensitives Magnetometer eingesetzt werden kann.

Subject of this thesis was the development of time-resolved photoemission electron microscopy (TR-PEEM) for the in-situ investigation of ultrafast dynamic processes in thin micro-structured magnetic layers during rapid variations of the external magnetic field. The experiment made use of the XMCD-contrast (X-ray circular magnetic dichroism) with help of circularly polarized synchrotron radiation (storage rings BESSY II (Berlin) and ESRF (Grenoble)) for the dynamic observation of magnetic domains during ultrafast magnetisation processes. With the help of this method a successful combination of high spatial and time resolution (less than 55 nm and about 15 ps) was realized. Using the new method it could be proven that magnetic dynamics in large Permalloy platelets (40 µm x 80 µm and 20 µm x 80 µm, 40 nm thick) proceeds by incoherent rotation of magnetization and with the formation of transient domain patterns which block the remagnetization process. Striking differences occur between the magnetic response of adjusted thin-film microstructures on a pulsed external magnetic field and the quasi-static case. The occurrence of transient spatio-temporal domain patterns and special detail structures in these patterns are discussed, which do not arise in quasi-static remagnetization. Various domain patterns in Permalloy platelets of different shapes and dimensions were investigated and discussed. Such patterns are, in particular, rapidly broadened Néel walls on account of the precessional magnetisation process, the formation of transient domain walls and transient vortices as well as the occurrence of a striped domain phase because of incoherent rotation of the magnetisation. The method was further used for the investigation of spin waves on ultrathin (16 µm x 32 µm, 10 nm thick) Permalloy platelets. It was discovered that an induced magnetic moment occurs in an oscillatory magnetic field, which was directed along the short side of the platelet. This phenomenon was explained by a self-trapping effect of the dominating spin-wave mode. It was shown that a forced normal mode becomes stable through the shift and subsequent removal of the 180-Néel wall with increasing field amplitude. When the system is excited just below the resonance frequency, the magnetisation distribution adapts to it so that the major domain, which absorbs energy from the oscillatory field, increases in size. When exceeding a definite critical field amplitude, the forced mode close to the resonance frequency exerts an effective force perpendicular to the 180°-Néel wall. It arises in the centre of the platelet and is compensated by the induced force through the stray field when the wall is shifted off-centre. The TR-PEEM-method has a further potential, i.e. the possibility to measure stray fields of magnetic micro- and nanostructures during the dynamic processes and to establish the time-dependence of the magnetic stray field quantitatively. It was shown, that the time-resolved photoemission electron microscope can be employed as an ultrafast surface sensitive magnetometer.