Mikro-Hall-Magnetometrie an ferromagnetischen Nanoscheiben

In dieser Arbeit wurden ferromagnetische Kreisscheiben aus Permalloy mit Hilfe der Mikro-Hall-Magnetometrie und mit mikromagnetischen Simulationen untersucht. Aus GaAs/AlGaAs-Heterostrukturen gefertigte Mikro-Hall-Sonden gestatten die Messung von Streufeld-Hysteresekurven individueller Partikel mit Ausdehnungen weit unter einem Mikrometer. Die Entstehung einer magnetischen Wirbelstruktur (Vortex) in Permalloy-Kreisscheiben (Dicke t zwischen 20 und 60 nm und Durchmesser D von 300 bis 800 nm) wird durch die Bildung von Buckling-Zuständen eingeleitet. Je nach Magnetisierungsstruktur unterscheidet man zwischen c- und s-Zuständen sowie Buckling-Mustern höherer Ordnung. In größeren Kreisscheiben (t > 40 nm und D > 500 nm) kann vor der Vortex-Entstehung eine metastabile Doppelvortex-Konfiguration auftreten. Da sich die diversen Buckling-Zustände energetisch nur unwesentlich voneinander unterscheiden, wird die Magnetisierung im Feldbereich der Vortex-Nukleation durch Defekte und die magnetische Vorgeschichte maßgeblich beeinflusst. Während die Vortex-Nukleation also einen gleichermaßen komplexen wie schwer kontrollierbaren Vorgang darstellt, bieten künstliche Punktdefekte in den Nanoscheiben die Möglichkeit, auf das magnetische Verhalten im Vortex-Zustand gezielt Einfluss zu nehmen. Das Zentrum der Vortex-Struktur kann mit Hilfe eines Punktdefekts (magnetischer Antidot) eingefangen und festgehalten werden, was im entsprechenden Feldbereich zu verringerter magnetischer Suszeptibilität führt. In der zugehörigen Hysteresekurve hat dies das Auftreten eines Plateaus zur Folge. Permalloy-Scheiben (t = 30 nm und D = 500 nm) mit zwei Antidots zeigen bistabiles magnetisches Verhalten: Der Übergang zwischen zwei reversibel durchlaufenen Plateaus erfolgt durch einen irreversiblen Sprung, sobald eine charakteristische Feldstärke (Schaltfeldstärke) überschritten wird. Während die beiden Plateaus den Zuständen des am rechten oder linken Antidot gepinnten Vortex zugeordnet werden, entspricht der irreversible Sprung dem vom externen Magnetfeld erzwungenen Wechsel des Vortex-Kerns zwischen den Antidots. In Einklang mit dieser Erklärung weisen größere Permalloy-Scheiben (t = 30 nm und D = 800 nm) mit drei bzw. vier Antidots entsprechend viele Plateaus auf. Das Auftreten mehrerer stabiler remanenter Zustände, kurze Schaltzeiten unter 1 ns und die Beeinflussbarkeit der Schaltfeldstärke durch geometrische Faktoren und Biasfelder lässt Nanoscheiben mit Antidots für Speicheranwendungen als prädestiniert erscheinen. Die Integration solcher Strukturen in MRAM-Speicher und kombinierte Speicher-Logik-Elemente wird ausführlich diskutiert