L. Alff, Grundlagen des Magnetismus, Skript

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

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)

Ferromagnetische Domänen

L. Alff, Grundlagen des Magnetismus, Skript

Ursache der Domänenbildung ist die Reduzierung der magnetischen Streufeldenergie ...

Ferromagnetische Domänen

Ch. Kittel, Rev. Mod. Phys. 21, 514 (1949)

... wie hier am Beispiel eines Si-Fe-Kristalls gezeigt.

Domänenwände

Jäger, Perthel, Magnetische Eigenschaften von Festkörpern

Bloch-Wand Néel-Wand

Drehung der Magnetisierung in der Ebene der Wand, stabil im Volumen

Drehung der Magnetisierung

in einer Ebene senkrecht zur Wand,

es ragt kein Streufeld aus der Oberfläche heraus stabil an der Oberfläche

Bitter-Streifen-Technik

Francis Bitter 1902-1967

B. Elschnerin Gerthsen`Physik`

• Beschichtung einer ferromagnetischen Probe mit einer kolloidalen Lösung ferromagnetischer Teilchen (z.B. Magnetit Fe₃O₄)

• 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

Kerr-Mikroskopie

John Kerr 1824 - 1907

• 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)

Magneto-optischer Kerr-Effekt

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.

Lorentz-Mikroskopie

Hendrik Antoon Lorentz (1853-1928)

• Elektronen (100-1000keV) 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)

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

• 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

Kuch et al., Surf. Rev. Lett. 5, 1241 (1998)

Photo Electron Emission Microscopy

Grundlage für magnetischen Kontrast: X-Ray Magnetic Circular Dichroism Röntgen-Absorption abhängig von Magnetisierung

M+ / M -- Bsp. Fe-Film / W(110)

Stöhr, J. Electr. Spectr. 75, 253 (1995)

Photo Electron Emission Microscopy

10x10 µm²

Magnetische Domänen auf einer CoPtCr Festplatte

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.

The Co L-edge dichroism spectra, which correlate photon energies and images.

Stöhr, Science259, 658 (1993)

Photo Electron Emission Microscopy

Magnetische Domänen auf einer CoPtCr Festplatte

10x1 µm²

High-resolution XMCD images obtained by

subtracting images obtained at the L3 and L2 edges for enhanced contrast.

Stöhr, Science259, 658 (1993)

Photo Electron Emission Microscopy

hν

Permalloy ´Flux closure domains` 40x40 µm²

Ch. Ziethen et al., J. Electr. Spect. 88, 983 (1998)

Photo Electron Emission Microscopy

Co/Cr- Keilschichten auf einem Fe(001) Whisker Zwischenschichtaustauschkopplung

Co

Fe (001) 5ML Co 0-3ML Cr

Fe Cr

Kuch et al., Surf. Rev. Lett. 5, 1241 (1998)

Magnetic Force Microscopy

H) (m

F = ∇ •

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°

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: http://www.nanoscience.de

Magnetic Force Microscopy

Circular Co dots / GaAs Ø=150nm

Topographie MFM

2x2 µm2

Magnetisierung direkt nach der Präparation (as prepared state) in-plane mit statistischer Orientierung

Kleiber, Phys. Rev. B 58, 5563 (1998)

Magnetic Force Microscopy

Elliptical Co dots / GaAs 140nm x 250nm

Topographie MFM

6x6 µm2

Magnetisierung direkt nach der Präparation (as prepared state) in-plane entlang der großen Hauptachse

(Formanisotropie)

Kleiber, Phys. Rev. B 58, 5563 (1998)

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)

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)

Spin Polarized Scanning Tunneling Microscopy

STM mit W-Spitze:

vorwiegend einatomare Stufen

erstmals beobachtet an Cr(001)

STM mit ferromagnetischer CrO2-Spitze

STM mit W-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)

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 h₁ und h₂

Blügel et al., Phys. Rev. B 39, 1392 (1989), Wiesendanger et al., Phys. Rev. Lett. 65, 247 (1990)

Spin Polarized Scanning Tunneling Microscopy

am Beispiel des austauschaufgespaltenen Gd (0001) Oberflächenzustandes

∆_ex = 700 meV

Gd-Oberfläche mit spinpolarisierter

Zustandsdichte um E_F

Fe-Spitze mit konstanter Spinpolarisation um E_F

M+ / M --

Æ Erhöhter Tunnelstrom der Spinkomponente parallel zur Spitzenmagnetisierung Spin valve effect

Bode, Phys. Rev. Lett. 81, 4256 (1998)

Spin Polarized Scanning Tunneling Microscopy

am Beispiel des austauschaufgespaltenen Gd (0001) Oberflächenzustandes

erwartete Tunnelspektren:

Leitfähigkeit ~ lokale Zustandsdichte

angelegte Spannung (bias voltage)

M+ / M --

Bode, Phys. Rev. Lett. 81, 4256 (1998)

Spin Polarized Scanning Tunneling Microscopy

am Beispiel des austauschaufgespaltenen Gd (0001) Oberflächenzustandes

gemessene Tunnelspektren:

Bode, Phys. Rev. Lett. 81, 4256 (1998)

Spin Polarized Scanning Tunneling Microscopy

am Beispiel des austauschaufgespaltenen Gd (0001) Oberflächenzustandes

U= -0.2 V

2x2 µm2

U= +0.45 V

(besetzte Zustandsdichte) (unbesetzte Zustandsdichte)

Bode, Phys. Rev. Lett. 81, 4256 (1998)

Spin Polarized Scanning Tunneling Microscopy

am Beispiel des austauschaufgespaltenen Gd (0001) Oberflächenzustandes

Asymmetriebild:

Æ Auflösung < 20nm

Bode, Phys. Rev. Lett. 81, 4256 (1998)

Spin Polarized Scanning Tunneling Microscopy

• 1,5 ML Fe / W (110)

• mit Gd bedeckte W-Spitze: Magnetisierung senkrecht zur OF (out-of-plane)

Tunnelspektren

`Constant current´ Bild

Kubetzka et al., Phys. Rev. B 63, 140407 (2001)

Spin Polarized Scanning Tunneling Microscopy

• 1,5 ML Fe / W (110)

• mit Gd bedeckte W-Spitze: Magnetisierung senkrecht zur OF (out-of-plane)

Fe-Inseln parallel und antiparallel zur Spitzenmagnetisierung Asymmetriebild bei U = -0,25V

`Constant current´ Bild

Kubetzka et al., Phys. Rev. B 63, 140407 (2001)

Spin Polarized Scanning Tunneling Microscopy

Kubetzka et al., Phys. Rev. B 63, 140407 (2001)

Bedeckung

Fe / W(110)

• immer noch senkrechte Magnetisierung

• Domänengröße durch Terrassenweite bestimmt

• alle Inseln eindomänig

• kleine Inseln in-plane magnetisiert

(parallel zu Magnetisierung der Monolage)

• eine Insel mit 2 Domänen

• Ketten von parallel magnetisierten Inseln an Stufenkanten - Austauschkopplung

• Koaleszenz der Inseln ÆVersetzungslinien

• Ausbildung von Domänenwänden in Inseln

~ 30nm

(Blochwände, Wandbreite ~7nm)

XMCD in der Röntgen-Holographie

Eisebitt et al., Nature432, 885 (2004)

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. M²

• Nachweis der Spinpolarisation

• SEMPA (Secondary electron microscopy with polarization analysis)

• SP STM (Spin polarized STM)