Magnetization dynamics in spin valves

Key technology applications like magnetoresistive sensors or the Magnetic Random Access Memory (MRAM) require reproducible magnetic switching mechanisms. i.e. predefined remanent states. At the same time advanced magnetic recording schemes push the magnetic switching time into the gyromagnetic regime. According to the Landau-Lifschitz-Gilbert formalism, relevant questions herein are associated with magnetic excitations (eigenmodes) and damping processes in confined magnetic thin film structures.rnObjects of study in this thesis are antiparallel pinned synthetic spin valves as they are extensively used as read heads in today’s magnetic storage devices. In such devices a ferromagnetic layer of high coercivity is stabilized via an exchange bias field by an antiferromagnet. A second hard magnetic layer, separated by a non-magnetic spacer of defined thickness, aligns antiparallel to the first. The orientation of the magnetization vector in the third ferromagnetic NiFe layer of low coercivity - the freelayer - is then sensed by the Giant MagnetoResistance (GMR) effect. This thesis reports results of element specific Time Resolved Photo-Emission Electron Microscopy (TR-PEEM) to image the magnetization dynamics of the free layer alone via X-ray Circular Dichroism (XMCD) at the Ni-L3 X-ray absorption edge.rnThe ferromagnetic systems, i.e. micron-sized spin valve stacks of typically deltaR/R = 15% and Permalloy single layers, were deposited onto the pulse leading centre stripe of coplanar wave guides, built in thin film wafer technology. The ferromagnetic platelets have been applied with varying geometry (rectangles, ellipses and squares), lateral dimension (in the range of several micrometers) and orientation to the magnetic field pulse to study the magnetization behaviour in dependence of these magnitudes. The observation of magnetic switching processes in the gigahertz range became only possible due to the joined effort of producing ultra-short X-ray pulses at the synchrotron source BESSY II (operated in the so-called low-alpha mode) and optimizing the wave guide design of the samples for high frequency electromagnetic excitation (FWHM typically several 100 ps). Space and time resolution of the experiment could be reduced to d = 100 nm and deltat = 15 ps, respectively.rnIn conclusion, it could be shown that the magnetization dynamics of the free layer of a synthetic GMR spin valve stack deviates significantly from a simple phase coherent rotation. In fact, the dynamic response of the free layer is a superposition of an averaged critically damped precessional motion and localized higher order spin wave modes. In a square platelet a standing spin wave with a period of 600 ps (1.7 GHz) was observed. At a first glance, the damping coefficient was found to be independent of the shape of the spin-valve element, thus favouring the model of homogeneous rotation and damping. Only by building the difference in the magnetic rotation between the central region and the outer rim of the platelet, the spin wave becomes visible. As they provide an additional efficient channel for energy dissipation, spin waves contribute to a higher effective damping coefficient (alpha = 0.01). Damping and magnetic switching behaviour in spin valves thus depend on the geometry of the element. Micromagnetic simulations reproduce the observed higher-order spin wave mode.rnBesides the short-run behaviour of the magnetization of spin valves Permalloy single layers with thicknesses ranging from 3 to 40 nm have been studied. The phase velocity of a spin wave in a 3 nm thick ellipse could be determined to 8.100 m/s. In a rectangular structure exhibiting a Landau-Lifschitz like domain pattern, the speed of the field pulse induced displacement of a 90°-Néel wall has been determined to 15.000 m/s.rnSchlüsseltechnologien wie magnetoresistive Sensoren oder das MRAM (Magnetic Random Access Memory) erfordern reproduzierbare magnetische Schaltvorgänge zwischen remanenten Zuständen. In modernen magnetischen Speichern erreicht die Geschwindigkeit solcher Prozesse die Zeitskala der gyromagnetischen Präzession. Die Landau-Lifschitz-Glibert-Gleichung (LLG) beschreibt magnetisch angeregte Zustände in Form von Eigenmoden und Dämpfung in lateral begrenzten dünnen Schichten.rnForschungsobjekte dieser Arbeit sind u.a. hochentwickelte anti-parallel gepinnte synthetische Spinventile, wie sie als GMR-Leseelemente (Giant MagnetoResistive) in heutigen Magnetspeicherplatten zum Einsatz kommen. Darin ist eine ferromagnetische Schicht hoher Koerzitivität mittels Austauschkopplung an einen Antiferromagneten gekoppelt. Eine zweite, durch einen nichtmagnetischen Spacer getrennte ferromagnetische Schicht, richtet sich bei entsprechender Spacerdicke antiparallel zu dieser aus. Eine dritte, wiederum antiparallel zur zweiten ausgerichtete NiFe-Schicht niedriger Koerzitivität (der Freelayer), wirkt als sensierende Schicht, in dem sich, abhängig vom äußeren Magnetfeld, der Widerstand im Schichtstapel ändert. In dieser Arbeit wird mittels elementspezifischer, zeitaufgelöster Photoemissions-Elektronen¬mikroskopie (TR-PEEM), die Magnetisierung des Freelayers isoliert vom Rest des Schichtstapels abgebildet. Genutzt wird dazu der Röntgenzirkulardichroismus (XMCD).rnDie untersuchten Spinventile (typisch deltaR/R = 15%) und wurden mittels Dünnfilmtechnik auf den pulsführenden Leiter eines koplanaren Wellenleiters aufgebracht. Dabei wurden Geometrie (Rechtecke, Ellipsen, Ringe), Dimension (im Bereich weniger Mikrometer) und Orientierung zum Feldpuls variiert. Um magnetische Schaltvorgänge im Gigahertz-Regime überhaupt untersuchen zu können, mussten zum einen ultra-kurze Röntgenpulse am Synchrotron BESSY II erzeugt werden (low alpha-mode) und zum anderen die Wellenleitertechnik zur hochfrequenten elektro¬magnetischen Anregung (FWHM typisch 100 ps) optimiert werden. Orts- u. Zeitauflösung konnten auf d = 100 nm bzw. deltat = 15 ps reduziert werden.rnEs wird gezeigt, dass die Magnetisierungsdynamik des Freelayers in einem GMR-Spinventil nicht der erwarteten kohärenten Rotation entspricht. Vielmehr ist die dynamische Antwort des Systems auf den Feldpuls eine Überlagerung aus einer homogenen kritisch gedämpften Präzession und Spinwellenmoden höhere Ordnung. Für eine quadratische Struktur wird eine Spinwellenmode beobachtet, deren Periode 600 ps (1.7 GHz) beträgt. Der Dämpfungskoeffizient erweist sich augenscheinlich zunächst als unabhängig von der Form des Spinventils, wodurch das Modell homogener Rotation und Dämpfung gestützt würde. Erst die Differenzbildung der magnetischen Rotation zwischen Mitte und Randbereich der Struktur macht die Spinwellenmode höhere Ordnung sichtbar, deren Beitrag zur Energiedissipation zu einer erhöhten effektiven Dämpfung (alpha = 0.01) führt. Dämpfung und magnetische Schaltvorgänge in Spinventilen hängen somit von der Geometrie ab. Mikromagnetische Simulationen reproduzieren die beobachteten Spinwellenmoden.rnNeben dem Kurzzeitverhalten der Magnetisierung von Spinventilen wurden einlagige Permalloy-Schichten mit Dicken zwischen 3 und 40 nm untersucht. Die Phasengeschwindigkeit einer Spinwelle konnte in einer 3 nm dicken Ellipse mit 8.100 m/s ermittelt werden. Für eine rechteckige Struktur mit Landau-Domänen beträgt die gemessene Geschwindigkeit der Verschiebung einer 90°-Néel-Wand durch den Feldpuls, 15.000 m/s.r