Spatially varying magnetic anisotropies in ultrathin films

Abstract

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Modellierung ultradünner Filme mit auf der Nanometerscala räumlich veränderlichen magnetischen Anisotropien im Konzept der mikromagnetischen Theorie. Das Interesse an diesen Strukturen begründet sich in der Möglichkeit der Herstellung dünner, strukturierter, magnetischer Filme in der Nanotechnologie. Im Besonderen kann die magnetische Anisotropie durch eine teilweise Bedeckung der Schicht oder auch Spannungsabbau in der Schicht lokal angepasst werden. Die mikromagnetische Modellierung verbindet die intrinsischen Eigenschaften des Materials mit der im Herstellungsvorgang erzielten morphologischen Struktur. Dabei ergibt sich die folgende Frage: Wie wird die magnetische Konfiguration durch Material- und Geometrieparameter bestimmt? Das hier untersuchte Modellsystem besteht aus einer Serie von unendlich langen Streifen mit alternierender, uniaxialer Anisotropie. Die Einheitszelle des Modellsystems besteht aus zwei Streifen der Breite L1 und L2, deren leichte Magnetisierungsrichtung senkrecht bzw. in der Schichtebene liegt. Die statische mikromagnetische Gleichung nach Brown wird gelöst, um die magnetische Gleichgewichtskonfiguration zu erhalten. Analytische Lösungen wurden mit Hilfe der Variationsrechung erhalten. In diesem Fall wird die dipolare Wechselwirkung nur als lokal wirkende Entmagnetisierungsenergie berücksichtigt und ist in dem Anisotropieterm enhalten. Ein Iterationsverfahren wurde verwendet, um numerische Lösungen zu erhalten, die die dipolare Wechselwirkung vollständig berücksichtigen. In dieser Arbeit wird einerseits das makroskopische Verhalten der Magnetisierung, wie es mit räumlich mittelnden Methoden gemessen werden kann, im Rahmen der mikromagnetischen Theorie erklärt. Andererseits wird auch direkt das Verhalten von magnetischen Nanostrukturen, wie es durch hochauflösende magnetische Mikroskopie untersucht werden kann, behandelt.

The aim of this work is to model ultrathin films with spatially varying magnetic anisotropies on the nanometer scale in the framework of the micromagnetic theory. The interest for these structures is driven by the possibilities of fabrication offered by the nanotechnologies. In particular the magnetic anisotropy can be locally tailored by partial capping or thickness variation. Micromagnetic modeling is used to connect the intrinsic properties of the material with the morphological structure obtained by fabrication. The main question addressed in the work is: What is the magnetic configuration as a function of the material and geometric parameters? The system is modelled by a series of infinitely long stripes with alternated uniaxial anisotropies. The unit cell of the model is formed by two stripes of width L1 and L2, with easy axis respectively out-of-plane and in-plane. The static micromagnetic equation of Brown is solved in order to obtain the equilibrium magnetic configuration. Analytical solutions are obtained by using the variational calculus. In this case the dipolar energy is taken into account only as a local demagnetizing energy and is included in the anisotropy term. Numerical solutions fully consider the dipolar interactions and are calculated by utilizing a method based on an iterative scheme. In this work, on the one hand the macroscopic behaviour of the system, as measured by spatially averaging magnetic techniques, is explained in the framework of micromagnetics. On the other hand, magnetic nanostructures, as it can be measured in high resolution magnetic microscopy, are investigated.