Field-free control of magnetism in nanostructured materials probed with high resolution X-ray microscopy

Magnetic memories are a backbone of today's digital data storage technology, where the digital information is stored as the magnetic configuration of nanostructured ferromagnetic bits. Currently, the writing of the digital information on the magnetic memory is carried out with the help of magnetic fields. This approach, while viable, is not optimal due to its intrinsically high energy consumption and relatively poor scalability. For this reason, the research for different mechanisms that can be used to manipulate the magnetic configuration of a material is of interest. In this thesis, the control of the magnetization of different nanostructured materials with field-free mechanisms is investigated. The magnetic configuration of these nanostructured materials was imaged directly with high resolution x-ray magnetic microscopy. rnFirst of all, the control of the magnetic configuration of nanostructured ferromagnetic Heusler compounds by fabricating nanostructures with different geometries was analyzed. Here, it was observed that the magnetic configuration of the nanostructured elements is given by the competition of magneto-crystalline and shape anisotropy. By fabricating elements with different geometries, we could alter the point where these two effects equilibrate, allowing for the possibility to tailor the magnetic configuration of these nanostructured elements to the required necessities.rnThen, the control of the magnetic configuration of Ni nanostructures fabricated on top of a piezoelectric material with the magneto-elastic effect (i.e. by applying a piezoelectric strain to the Ni nanostructures) was investigated. Here, the magneto-elastic coupling effect gives rise to an additional anisotropy contribution, proportional to the strain applied to the magnetic material. For this system, a reproducible and reversible control of the magnetic configuration of the nanostructured Ni elements with the application of an electric field across the piezoelectric material was achieved.rnFinally, the control of the magnetic configuration of La0.7Sr0.3MnO3 (LSMO) nanostructures with spin-polarized currents was studied. Here, the spin-transfer torque effect was employed to achieve the displacement of magnetic domain walls in the LSMO nanostructures. A high spin-transfer torque efficiency was observed for LSMO at low temperatures, and a Joule-heating induced hopping of the magnetic domain walls was observed at room temperatures, allowing for the analysis of the energetics of the domain walls in LSMO.rnThe results presented in this thesis give thus an overview on the different field-free approaches that can be used to manipulate and tailor the magnetization configuration of a nanostructured material to the various technological requirements, opening up novel interesting possibilities for these materials.

Origin of the spin Seebeck effect

Der Spin Seebeck Effekt repräsentiert einen neuartigen Spin kalorischen Effekt mit vorteilhaften und aussichtsreichen Eigenschaften für Anwendungen in den Gebieten der Spintronik und Thermoelektrik.rnIn dieser Arbeit präsentieren wir eine umfangreiche Untersuchung des Spin Seebeck Effekts in isolierenden, magnetischen Granaten und geben Antworten zum kontrovers diskutierten Ursprung des Effekts. Um dieses Ziel zu erreichen, haben wir die Abhängigkeit des Spin Seebeck Effekts von der Dicke des Ferromagneten, der Temperatur, der Stärke des magnetisches Feldes, der Grenzflächen und des Detektormaterials, sowie Kombinationen dieser Parameter gemessen. Im Zuge dessen haben wir das Wachstum der untersuchten magnetischen Granate optimiert und eine umfassende Analyse der strukturellen und magnetischen Parameter durchgeführt, um Einflüsse der Probenqualität auszuschließen. Des Weiteren zeigte eine Untersuchung des magnetoresistiven Effekts, welcher als mögliche Ursache des Effekts galt, in Kombination mit einer Studie des Messaufbaus, dass parasitäre Einflüsse auf das Messergebnis ausgeschlossen werden können. Unsere Ergebnisse zeigen, dass der Spin Seebeck Effekt mit zunehmender Dicke des Ferromagneten eine Sättigung des Signals aufweist. Diese hängt zudem von der Temperatur ab, da mit abnehmender Temperatur die Sättigung erst bei dickeren Filmen auftritt. Außerdem fanden unsere Messungen ein Maximum des Spin Seebeck Effekts für Temperaturen unterhalb der Raumtemperatur, welcher sowohl von der Dicke des Materials als auch der Magnetfeldstärke und dem Detektormaterial beeinflusst wird. In Messungen bei hohen magnetischen Feldstärken beobachteten wir eine Unterdrückung des Messsignals, dessen Ursache mithilfe von Simulationen auf den magnonischen Ursprung des Spin Seebeck Effekts zurückgeführt werden kann. Dies unterstreicht, dass der Effekt auf vom Ferromagneten emittierten Magnonen basiert. Im letzten Abschnitt dieser Arbeit präsentieren wir Messungen in einem bislang nicht untersuchten ferrimagnetischen Material, welche zwei Vorzeichenwechsel des Spin Seebeck Effekts als Funktion der Temperatur aufzeigen. Dieses bisher unbekannte Signalverhalten betont, dass der Effekt aus einem komplexen Zusammenspiel der magnonischen Moden resultiert und zusätzlich vom Detektormaterial abhängt.rnSomit tragen unsere Ergebnisse und Beobachtungen im hohen Maße zur Beantwortung der Frage nach dem Ursprungs des Spin Seebeck Effekts bei und zeigen neuartige bisher nicht beobachtete Effekte, welche ein neues Kapitel für das Gebiet der Spin Kaloritronik eröffnen.

Preparation and study of magnetic thin film based sub-micron structures

Due to its high Curie temperature of 420K and band structure calculations predicting 100% spin polarisation, Sr2FeMoO6 is a potential candidate for spintronic devices. However, the preparation of good quality thin films has proven to be a non-trivial task. Epitaxial Sr2FeMoO6 thin films were prepared by pulsed laser deposition on different substrates. Differing from previous reports a post-deposition annealing step at low oxygen partial pressure (10-5 mbar) was introduced and enabled the fabrication of reproducible, high quality samples. According to the structural properties of the substrates the crystal structure and morphology of the thin films are modified. The close interrelation between the structural, magnetic and electronic properties of Sr2FeMoO6 was studied. A detailed evaluation of the results allowed to extract valuable information on the microscopic nature of magnetism and charge transport. Smooth films with a mean roughness of about 2 nm have been achieved, which is a pre-requisite for a possible inclusion of this material in future devices. In order to establish device-oriented sub-micron patterning as a standard technique, electron beam lithography and focussed ion beam etching facilities have been put into operation. A detailed characterisation of these systems has been performed. To determine the technological prospects of new spintronics materials, the verification of a high spin polarisation is of vital interest. A popular technique for this task is point contact Andreev reflection (PCAR). Commonly, the charge transport in a transparent metal-superconductor contact of nanometer dimensions is attributed solely to coherent transport. If this condition is not fulfilled, inelastic processes in the constriction have to be considered. PCAR has been applied to Sr2FeMoO6 and the Heusler compound Co2Cr0.6Fe0.4Al. Systematic deviations between measured spectra and the standard models of PCAR have been observed. Therefore existing approaches have been generalised, in order to include the influence of heating. With the extended model the measured data was successfully reproduced but the analysis has revealed grave implications for the determination of spin polarisation, which was found to break down completely in certain cases.

Tuning the structural and magnetic properties of Sr 2 FeReO 6 by substituting Fe and Re with valence invariant metals

In the course of this work the effect of metal substitution on the structural and magnetic properties of the double perovskites Sr2MM’O6 (M = Fe, substituted by Cr, Zn and Ga; M’ = Re, substituted by Sb) was explored by means of X-ray diffraction, magnetic measurements, band structure calculations, Mößbauer spectroscopy and conductivity measurements. The focus of this study was the determination of (i) the kind and structural boundary conditions of the magnetic interaction between the M and M’ cations and (ii) the conditions for the principal application of double perovskites as spintronic materials by means of the band model approach. Strong correlations between the electronic, structural and magnetic properties have been found during the study of the double perovskites Sr2Fe1-xMxReO6 (0 < x < 1, M = Zn, Cr). The interplay between van Hove-singularity and Fermi level plays a crucial role for the magnetic properties. Substitution of Fe by Cr in Sr2FeReO6 leads to a non-monotonic behaviour of the saturation magnetization (MS) and an enhancement for substitution levels up to 10 %. The Curie temperatures (TC) monotonically increase from 401 to 616 K. In contrast, Zn substitution leads to a continuous decrease of MS and TC. The diamagnetic dilution of the Fe-sublattice by Zn leads to a transition from an itinerant ferrimagnetic to a localized ferromagnetic material. Thus, Zn substitution inhibits the long-range ferromagnetic interaction within the Fe-sublattice and preserves the long-range ferromagnetic interaction within the Re-sublattice. Superimposed on the electronic effects is the structural influence which can be explained by size effects modelled by the tolerance factor t. In the case of Cr substitution, a tetragonal – cubic transformation for x > 0.4 is observed. For Zn substituted samples the tetragonal distortion linearly increases with increasing Zn content. In order to elucidate the nature of the magnetic interaction between the M and M’ cations, Fe and Re were substituted by the valence invariant main group metals Ga and Sb, respectively. X-ray diffraction reveals Sr2FeRe1-xSbxO6 (0 < x < 0.9) to crystallize without antisite disorder in the tetragonal distorted perovskite structure (space group I4/mmm). The ferrimagnetic behaviour of the parent compound Sr2FeReO6 changes to antiferromagnetic upon Sb substitution as determined by magnetic susceptibility measurements. Samples up to a doping level of 0.3 are ferrimagnetic, while Sb contents higher than 0.6 result in an overall antiferromagnetic behaviour. 57Fe Mößbauer results show a coexistence of ferri- and antiferromagnetic clusters within the same perovskite-type crystal structure in the Sb substitution range 0.3 < x < 0.8, whereas Sr2FeReO6 and Sr2FeRe0.9Sb0.1O6 are “purely” ferrimagnetic and Sr2FeRe0.1Sb0.9O6 contains antiferromagnetically ordered Fe sites only. Consequently, a replacement of the Re atoms by a nonmagnetic main group element such as Sb blocks the double exchange pathways Fe–O–Re(Sb)–O–Fe along the crystallographic axis of the perovskite unit cell and destroys the itinerant magnetism of the parent compound. The structural and magnetic characterization of Sr2Fe1-xGaxReO6 (0 < x < 0.7) exhibit a Ga/Re antisite disorder which is unexpected because the parent compound Sr2FeReO6 shows no Fe/Re antisite disorder. This antisite disorder strongly depends on the Ga content of the sample. Although the X-ray data do not hint at a phase separation, sample inhomogeneities caused by a demixing are observed by a combination of magnetic characterization and Mößbauer spectroscopy. The 57Fe Mößbauer data suggest the formation of two types of clusters, ferrimagnetic Fe- and paramagnetic Ga-based ones. Below 20 % Ga content, Ga statistically dilutes the Fe–O–Re–O–Fe double exchange pathways. Cluster formation begins at x = 0.2, for 0.2 < x < 0.4 the paramagnetic Ga-based clusters do not contain any Fe. Fe containing Ga-based clusters which can be detected by Mößbauer spectroscopy firstly appear for x = 0.4.

Magnetic tunneling junctions with the Heusler compound Co 2 Cr 0.6 Fe 0.4 Al

Materialen mit sehr hoher Spinpolarisation werden für Anwendungen im Bereich der Spin-Elektronik benötigt. Deshalb werden große Forschungsanstrengungen zur Untersuchung der Eigenschaften von Verbindungen mit potentiell halbmetallischem Charakter, d. h.mit 100% Spinpolarisation, unternommen. In halbmetallischen Verbindungen, erwartet man eine Lücke in der Zustandsdichte an der Fermi Energie für Ladungsträger einer Spinrichtung, wahrend die Ladungsträger mit der anderen Spinrichtung sich metallisch verhalten. Eine Konsequenz davon ist, dass ein Strom, der durch solche Verbindung fließt, voll spinpolarisiert ist. Die hohe Curie-Temperatur Tc (800 K) und der theoretisch vorhergesagte halbmetallische Charakter machen Co2Cr0.6Fe0.4Al (CCFA) zu einem guten Kandidaten für Spintronik-Anwendungen wie magnetische Tunnelkontakte (MTJs = Magnetic Tunneling Junctions). In dieser Arbeit werden die Ergebnisse der Untersuchung der elektronischen und strukturellen Eigenschaften von dünnen CCFA Schichten dargestellt. Diese Schichten wurden in MTJs integriert und der Tunnel-Magnetowiderstands-Effekt untersucht. Hauptziele waren die Messung der Spinpolarisation und Untersuchungen der elektronischen Struktur von CCFA. Der Einfluss verschiedener Depositionsparameter auf die Eigenschaften der Schichten, speziell auf der Oberflächenordnung und damit letztlich auf den Tunnel-Magnetowiderstand (TMR), wurde bestimmt. Epitaktische d¨unne CCFA Schichten mit zwei verschiedenen Wachstumsrichtungen wurden auf verschiedene Substrate und Pufferschichten deponiert. Ein Temperverfahren wurde eingesetzt um die strukturelle Eigenschaften der dünnen Schichten zu verbessern. Für die MTJs wurde Al2O3 als Barrierenmaterial verwendet und Co als Gegenelektrode gewählt. Die Mehrschicht-Systeme wurden in Mesa-Geometrie mit lithographischen Methoden strukturiert. Eine maximal Jullière Spinpolarisation von 54% wurde an Tunnelkontakte mit epitaktischen CCFA Schichten gemessen. Ein starker Einfluss der Tempernbedingungen auf dem TMR wurde festgestellt. Eine Erhörung des TMR wurde mit einer Verbesserung der Oberflächenordung der CCFA Schichten korreliert. Spektroskopische Messungen wurden an den MTJs durchgeführt. Diesen Messungen liefern Hinweise auf inelastische Elektron-Magnon und Elektron-Phonon Stossprozesse an den Grenzflächen. Einige der beobachteten Strukturen konnten mit der berechneten elektronischen Struktur von CCFA korreliert worden.

Magnetic spectroscopy and microscopy of functional materials

Heusler intermetallics Mn$_{2}Y$Ga and $X_{2}$MnGa ($X,Y$=Fe, Co, Ni) undergo tetragonal magnetostructural transitions that can result in half metallicity, magnetic shape memory, or the magnetocaloric effect. Understanding the magnetism and magnetic behavior in functional materials is often the most direct route to being able to optimize current materials and design future ones.rnrnSynchrotron soft x-ray magnetic spectromicroscopy techniques are well suited to explore the the competing effects from the magnetization and the lattice parameters in these materials as they provide detailed element-, valence-, and site-specific information on the coupling of crystallographic ordering and electronic structure as well as external parameters like temperature and pressure on the bonding and exchange.rnrnFundamental work preparing the model systems of spintronic, multiferroic, and energy-related compositions is presented for context. The methodology of synchrotron spectroscopy is presented and applied to not only magnetic characterization but also of developing a systematic screening method for future examples of materials exhibiting any of the above effects. rnrnChapters include an introduction to the concepts and materials under consideration (Chapter 1); an overview of sample preparation techniques and results, and the kinds of characterization methods employed (Chapter 2); spectro- and microscopic explorations of $X_2$MnGa/Ge (Chapter 3); spectroscopic investigations of the composition series Mn$_{2}Y$Ga to the logical Mn$_3$Ga endpoint (Chapter 4); and a summary and overview of upcoming work (Chapter 5). Appendices include the results of a “Think Tank” for the Graduate School of Excellence MAINZ (Appendix A) and details of an imaging project now in progress on magnetic reversal and domain wall observation in the classical Heusler material Co$_2$FeSi (Appendix B).

Femtosecond laser-based investigations of magnetic circular dichroism in near-threshold photoemission

During the last decades magnetic circular dichroism (MCD) has attracted much interest and evolved into various experimental methods for the investigation of magnetic thin films. For example, synchrotron-based X-ray magnetic circular dichroism (XMCD) displays the absolute values of spin and orbital magnetic moments. It thereby benefits from large asymmetry values of more than 30% due to the excitation of atomic core-levels. Similarly large values are also expected for threshold photoemission magnetic circular dichroism (TPMCD). Using lasers with photon energies in the range of the sample work function this method gives access to the occupied electronic structure close to the Fermi level. However, except for the case of Ni(001) there exist only few studies on TPMCD moreover revealing much smaller asymmetries than XMCD-measurements. Also the basic physical mechanisms of TPMCD are not satisfactorily understood. In this work we therefore investigate TPMCD in one- and two-photon photoemission (1PPE and 2PPE) for ferromagnetic Heusler alloys and ultrathin Co films using ultrashort pulsed laser light. The observed dichroism is explained by a non-conventional photoemission model using spin-resolved band-structure calculations and linear response theory. For the two Heusler alloys Ni2MnGa and Co2FeSi we give first evidence of TPMCD in the regime of two-photon photoemission. Systematic investigations concerning general properties of TPMCD in 1PPE and 2PPE are carried out at ultrathin Co films grown on Pt(111). Here, photon-energy dependent measurements reveal asymmetries of 1.9% in 1PPE and 11.7% in 2PPE. TPMCD measurements at decreased work function even yield larger asymmetries of 6.2% (1PPE) and 17% (2PPE), respectively. This demonstrates that enlarged asymmetries are also attainable for the TPMCD effect on Co(111). Furthermore, we find that the TPMCD asymmetry is bulk-sensitive for 1PPE and 2PPE. This means that the basic mechanism leading to the observed dichroism must be connected to Co bulk properties; surface effects do not play a crucial role. Finally, the enhanced TPMCD asymmetries in 2PPE compared to the 1PPE case are traced back to the dominant influence of the first excitation step and the existence of a real intermediate state. The observed TPMCD asymmetries cannot be interpreted by conventional photoemission theory which only considers direct interband transitions in the direction of observation (Γ-L). For Co(111), these transitions lead to evanescent final states. The excitation to such states, however, is incompatible with the measured bulk-sensitivity of the asymmetry. Therefore, we generalize this model by proposing the TPMCD signal to arise mostly from direct interband transitions in crystallographic directions other than (Γ-L). The necessary additional momentum transfer to the excited electrons is most probably provided by electron-phonon or -magnon scattering processes. Corresponding calculations on the basis of this model are in reasonable agreement with the experimental results so that this approach represents a promising tool for a quantitative description of the TPMCD effect. The present findings encourage an implementation of our experimental technique to time- and spatially-resolved photoemission electron microscopy, thereby enabling a real time imaging of magnetization dynamics of single excited states in a ferromagnetic material on a femtosecond timescale.

Design of multifunctional magnetic nanomaterials for biomedical applications

Diese Arbeit ist ein Beitrag zu den schnell wachsenden Forschungsgebieten der Nano-Biotechnologie und Nanomedizin. Sie behandelt die spezifische Gestaltung magnetischer Nanomaterialien für verschiedene biomedizinische Anwendungsgebiete, wie beispielsweise Kontrastmittel für die magnetische Resonanztomographie (MRT) oder "theragnostische" Agenzien für simultane optische/MR Detektion und Behandlung mittels photodynamischer Therapie (PDT).rnEine Vielzahl magnetischer Nanopartikel (NP) mit unterschiedlichsten magnetischen Eigenschaften wurden im Rahmen dieser Arbeit synthetisiert und erschöpfend charakterisiert. Darüber hinaus wurde eine ganze Reihe von Oberflächenmodifizierungsstrategien entwickelt, um sowohl die kolloidale als auch die chemische Stabilität der Partikel zu verbessern, und dadurch den hohen Anforderungen der in vitro und in vivo Applikation gerecht zu werden. Diese Strategien beinhalteten nicht nur die Verwendung bi-funktionaler und multifunktioneller Polymerliganden, sondern auch die Kondensation geeigneter Silanverbindungen, um eine robuste, chemisch inerte und hydrophile Siliziumdioxid- (SiO2) Schale um die magnetischen NP auszubilden.rnGenauer gesagt, der Bildungsmechanismus und die magnetischen Eigenschaften monodisperser MnO NPs wurden ausgiebig untersucht. Aufgrund ihres einzigartigen magnetischen Verhaltens eignen sich diese NPs besonders als (positive) Kontrastmittel zur Verkürzung der longitudinalen Relaxationszeit T1, was zu einer Aufhellung im entsprechenden MRT-Bild führt. Tatsächlich wurde dieses kontrastverbessernde Potential in mehreren Studien mit unterschiedlichen Oberflächenliganden bestätigt. Au@MnO „Nanoblumen“, auf der anderen Seite, sind Vertreter einer weiteren Klasse von Nanomaterialien, die in den vergangenen Jahren erhebliches Interesse in der wissenschaftlichen Welt geweckt hat und oft „Nano-hetero-Materialien“ genannt wird. Solche Nano-hetero-partikel vereinen die individuellen physikalischen und chemischen Eigenschaften der jeweiligen Komponenten in einem nanopartikulärem System und erhöhen dadurch die Vielseitigkeit der möglichen Anwendungen. Sowohl die magnetischen Merkmale von MnO, als auch die optischen Eigenschaften von Au bieten die Möglichkeit, diese „Nanoblumen“ für die kombinierte MRT und optische Bildgebung zu verwenden. Darüber hinaus erlaubt das Vorliegen zweier chemisch unterschiedlicher Oberflächen die gleichzeitige selektive Anbindung von Katecholliganden (auf MnO) und Thiolliganden (auf Au). Außerdem wurde das therapeutische Potential von magnetischen NPs anhand von MnO NPs demonstriert, die mit dem Photosensibilisator Protoporhyrin IX (PP) funktionalisiert waren. Bei Bestrahlung mit sichtbarem Licht initiiert PP die Produktion von zytotoxisch-reaktivem Sauerstoff. Wir zeigen, dass Nierenkrebszellen, die mit PP-funktionalisierten MnO NPs inkubiert wurden nach Bestrahlung mit Laserlicht verenden, während sie ohne Bestrahlung unverändert bleiben. In einem ähnlichen Experiment untersuchten wir die Eigenschaften von SiO2 beschichteten MnO NPs. Dafür wurde eigens eine neuartige SiO2-Beschichtungsmethode entwickelt, die einer nachfolgende weitere Anbindung verschiedenster Liganden und die Einlagerung von Fluoreszenzfarbstoffen durch herkömmliche Silan- Sol-Gel Chemie erlaubt. Die Partikel zeigten eine ausgezeichnete Stabilität in einer ganzen Reihe wässriger Lösungen, darunter auch physiologische Kochsalzlösung, Pufferlösungen und humanes Blutserum, und waren weniger anfällig gegenüber Mn-Ionenauswaschung als einfache PEGylierte MnO NPs. Des Weiteren konnte bewiesen werden, dass die dünne SiO2 Schicht nur einen geringen Einfluss auf das magnetische Verhalten der NPs hatte, so dass sie weiterhin als T1-Kontrastmittel verwendet werden können. Schließlich konnten zusätzlich FePt@MnO NPs hergestellt werden, welche die individuellen magnetischen Merkmale eines ferromagnetischen (FePt) und eines antiferromagnetischen (MnO) Materials vereinen. Wir zeigen, dass wir die jeweiligen Partikelgrößen, und damit das resultierende magnetische Verhalten, durch Veränderung der experimentellen Parameter variieren können. Die magnetische Wechselwirkung zwischen beiden Materialien kann dabei auf Spinkommunikation an der Grenzfläche zwischen beiden NP-Sorten zurückgeführt werden.rn

Topological mass of magnetic Skyrmions probed by ultrafast dynamic imaging

In dieser Arbeit untersuchen wir mittels zeitaufgelöster Abbildungen die Gigahertz-Dynamik von magnetischen Skyrmionen, um die Bewegungsgleichungen für diese Quasiteilchen zu bestimmen. Um dieses Ziel zu erreichen haben wir zunächst ein CoB/Pt Schichtsystem entwickelt, das starke senkrechte magnetische Anisotropie mit einer besonders geringen Rauigkeit der Energielandschaft verbindet. Diese Eigenschaften sind für das repetitive dynamische Abbildungsverfahren unerlässlich. In einem zweiten Schritt haben wir das Probendesign optimiert und so weiterentwickelt, dass eine Beobachtung der Skyrmionenbewegung mit einer Auflösung von besser als 3 nm möglich wurde. Aufgrund dieser Verbesserungen ist es uns gelungen, die Trajektorie eines Skyrmionen aufzuzeichnen. Diese Bewegung ist eine Superposition von zwei Drehbewegungen, einer im Uhrzeigersinn und einer gegen läufigen. Aus der Existenz dieser zwei Moden lässt sich schließen, dass Skyrmionen träge Quasiteilchen sind, und aus den Frequenzen können wir einen Wert für die träge Masse ableiten. Es stellt sich heraus, dass die Masse von Skyrmion fünfmal größer ist als von existierenden Theorien vorhergesagt. Die Masse wird folglich durch einen neuartigen Mechanismus bestimmt, der sich aus der räumlichen Beschränkung der Skyrmionen ergibt, welche sich direkt aus der Topologie bleitenrnlässt.