Ortsaufgelöste Ferromagnetische Resonanz mittels 2-dimensionaler Mikroresonatoren – Untersuchung der Spindynamik auf der Nanoskala

Gefördert durch die DFG: LI 1567/3-1

Zusammenarbeit:

Dr. Ryszard Narkowicz

Dr. Ralf Meckenstock (Universität Duisburg-Essen)

Zusammenfassung

Abb. 1: Aktiver Bereich („loop“) eines mittels Elektro­nen­strahl-Litho­graphie herge­stellten Mikro­resonators mit „loop“-­­Durch­mes­­ser 1µm.

Hergestellt: M. Buhl (FWIO)

Prozesse, bei denen Änderungen des Magnetisierungszustandes eines Systems erfolgen, sind durch die Magnetostatik und die Spindynamik des Systems bestimmt (magnetische Anisotropie, magnetische Dämpfung). Eine etablierte Methode, in Ferromagneten beide Bereiche simultan zu erfassen, ist die Ferromagnetische Resonanz (FMR). Diese ist in konventioneller Form jedoch zu unempfindlich, um einzelne Nanostrukturen zu untersuchen. Zudem bietet sie keine intrinsische Ortsauflösung. Mit immer weiter voranschreitender Reduzierung der Strukturgröße magnetischer Systeme gewinnt jedoch die Untersuchung der Rand- und Oberflächendynamik immer mehr an Bedeutung. Ziel des Projektes ist es, Spinwellenanregungen in einzelnen Nanostrukturen (einkristalline Nanodrähte und Nano­partikel) ortsaufgelöst zu untersuchen. Dazu werden FMR-Experimente mittels lithographisch hergestellter Mikroresonatoren durchgeführt und mittels thermischer Nahfeldmikroskopie zu einer neuartigen und ortsaufgelösten experimentellen Methode verknüpft. Die Empfind­lichkeit von 10⁴ - 10⁵ Spins (in Ferromagneten) ermöglicht eine quantitative Charakterisie­rung magnetischer Parameter auf der Nanometerskala [1,2].

Experimentelle Methode:

Fig. 2: Schematischer Aufbau eines Mikroresonators im (a) Querschnitt mit Blick auf obere und untere Metallisierung getrennt durch das Dielektrikum, (b) Draufsicht mit Blick auf die obere Metallisierung. (c) und (d) zeigen die berechnete E-Feld- sowie H-Feldverteilung (zur besseren Sichtbarkeit wurde hier ein „loop“-Durchmesser von 200µm gewählt).

Die Abbildungen 2(a) und 2(b) aus [3,4] zeigen reproduzier­te Skizzen eines Mikroresonators, wie er im Rahmen des Projektes verwendet wird. Es handelt sich um eine in Reflexion funktionierende Wellenleiter­struktur in der sog. „mikrostrip“-Ausführung. Hierbei wird ein Dielektrikum auf der einen Seite komplett metallisiert (Masseleiter), auf der anderen Seite wird eine struk­turier­te Metallschicht präpariert (siehe Querschnitt in Abb.2(a) und Draufsicht auf die strukturierte Seite in Abb. 2(b)). Zum Leiten einer hochfrequenten Welle ist die strukturierte Schicht ein einfacher Streifen (Streifenleiter). Im Fall der Mikroresonatoren wird die Struktur nun so ausgelegt, dass sich für eine bestimmte (wählbare) Frequenz eine stehende Welle in der Struktur ausbildet, so dass diese als Resonator fungiert. Die magnetische Induktion der Mikrowelle wird in der jeweiligen Schleife der Resonato­ren konzentriert. Diese hat den Durch­mes­ser D_i („loop“-Durchmesser). Die Ankopplung an den Wellenwi­der­stand der Zuleitungen von 50Ω (Impedanz­anpassung) gelingt über einen seitlichen Aus­läufer der Länge L_s („shunt-stub“), die Anpas­sung des Resonators an die Operations­­­fre­quenz gelingt durch den radialen Abschluss („radial stub“) mit Radius RS. In Abb. 2(c) ist eine Momentaufnahme der berechneten E-Feldverteilung für einen Resonator mit „loop“-Durchmesser von 200µm dargestellt. Man erkennt die stehende Welle mit maximaler E-Feldamplitude an den Rändern des „radial stubs“ sowie des „shunt-stubs“. Das damit verknüpfte H-Feld zur gleichen Zeit ist in Abb. (d) gezeigt. Im Innern des „loops“ erhält man ein homogenes Magnetfeld mit Induktionen im Bereich einiger 10mT bei 1W Mikrowellenleistung. Der „loop“ macht den Resonator skalierbar, wobei eine Reduktion des Durchmessers eine Anpassung der anderen Resonatorkomponenten („shunt-stub“ und „radial stub“) bedingt. Die Empfindlich­keit der Mikrore­so­na­toren ist etwa proportional zu 1/D_i.

 

Bearbeitete Themengebiete:

1. Magnetische Anisotropie und Spinwellenanregungen in Nanostrukturen:
   Der Einfluss der Oberfläche gewinnt bei Nanostrukturen im Gegensatz zu Volu­men­proben an Bedeu­tung. Die magnetische Anisotropie sowie die Formaniso­tropie haben daher einen großen Einfluss auf die gesamte magnetische Anisotropieenergie.
   1. Mittels FMR-Untersuchungen an einzelnen ferromagneti­schen Nanostrukturen werden die magnetische Anisotropie und Spinwellenanregungen und die  Abhän­gig­keit beider Eigenschaften von Form und Volu­men untersucht.
   2. In Anwendungen werden meist Ensembles magnetischer Strukturen verwendet. Der Einfluss der Strukturen untereinander, insbesondere durch dipolare Wech­sel­wirkungen, ist daher von großem Interesse. Sind Wechsel­wirkungen einer­seits unerwünscht, können sie magnetische Strukturen auch stabilisieren, wenn diese in Übergittern angeordnet werden. Der Einfluss der dipolaren Kopplung an Nachbarstrukturen auf die magnetische Anisotropie und Spinwellenanregungen wird untersucht.
      
      
2. Magnetische Dämpfung in Nanostrukturen:
   Neben der magnetischen Anisotropie spielt die magnetische Dämpfung eine immer wichtigere Rolle für Anwendungen magnetischer Nanostrukturen. Sie bestimmt ent­schei­­dend das Ummag­ne­tisie­rungs­verhalten und damit auch die Geschwindigkeit, mit der Um­magnetisierungen ablau­fen.
   
   
   1. Die magnetische Dämpfung und deren Abhängigkeit vom Volumen der Struktur wird an einzelnen Strukturen durch Analyse der Linienbreite des FMR-Signals untersucht.
   2. Da die Möglichkeit besteht, nach den Messungen an einer Struktur weitere im Resonator zu platzieren, wird der Einfluss von Dipolwechselwirkungen auf die magneti­sche Dämpfung untersucht.
      
      
3. Gezielte Beeinflussung magnetischer Parameter in Nanostrukturen:
   Die Manipulation magnetischer Parameter in Nanostrukturen ist für viele An­wen­dun­gen erwünscht. Die 2-dimensionale Geometrie der Mikroresonatoren bie­tet eine gute Möglichkeit, die Proben nach der Messung gezielt zu verän­dern. Beeinflusst werden die magnetischen Anisotropie, das Spinwellenspektrums und die magne­ti­schen Dämpfung durch strukturelle Ober­flä­chen­­­modi­fi­kation so­wie chemische Oberflächenmodifikation der Nanostruktur.

Mitarbeiter

Jürgen Lindner
Kilian Lenz
Sven Stienen

Übersichtsartikel and Publikationen

[1] Frequency-domain Magnetic Resonance – Alternative Detection Schemes for Samples at the Nanoscale, M. Möller, K. Lenz, J. Lindner
Journal of Surfaces and Interfaces of Materials, in press.

[2] A. Banholzer, R Narkowicz, C. Hassel, R. Meckenstock, S. Stienen, O. Posth, D. Suter, M. Farle, J. Lindner., Visualization of spin dynamics in single nanosized magnetic elements, Nanotechnology 22, 295713 (2011).

[3] R. Narkowicz, Suter, I. Niemeyer, Rev. Sci. Instrum. 79, 084702 (2008).

[4] R. Narkowicz, D. Suter, R. Stonies, J. Magn. Reson. 175, 275 (2003).