Dominios magnéticos: conceptos básicos y técnicas de...

Jose Miguel García-Martín

Instituto de Microelectrónica de Madrid (IMM-CNM-CSIC), Isaac Newton 8, 28760 Tres Cantos, Spain

http://www.imm.cnm.csic.es/magnetoplasmonics

Dominios magnéticos: conceptos básicos y técnicas de observación

Un poco de diseño japonés (Otari)…

Conceptos básicos:•Un poco de historia•Energías responsables. •Paredes de dominio, dominios de cierre. •Transición monodominio-multidominio

Técnicas de observación:•Bitter•Microscopía magneto-óptica•Microscopías electrónicas

1. Lorentz2. SEMPA

•Microscopías de barrido1. de fuerzas magnéticas (MFM)2. de efecto túnel polarizado en espín (SP-STM)3. de electrones balísticos (BEMM)

•Con radiación sincrotrón: X-PEEM

Comparativa entre diversas técnicas

Índice

Un poco de historia

Existe una imanación local M (T)…

Anomalía en el calor específico

(cortesía de André Thiaville, CNRS)

Imanación M Campo molecular n M

En presencia de un campo H:

Un poco de historia

(cortesía de André Thiaville, CNRS)

Un poco de historia

…Pero no hayimanación Msin aplicar un campo H

Hipótesis de la existencia de dominios magnéticos:P. Weiss, J.Phys., 6(1907)401

Energías responsables

canje

Canje: quiere espines paralelos

magnetocrist.

Magnetocrist.: quiere espines según ejes fáciles

Zeeman

Zeeman: quiere espinessegún campo aplicado

magnetostática

Magnetostática: quiere cierre de flujo omuchos polos

Pared de Néel (1955)

Pared de Bloch (1932) Paredes de dominio

Ejemplo: paredes de Bloch Energía de pared

Anchura de pared

δ

Paredes de dominio

Como A~10-11 J/m y K~102-106 J/m3:δ de unos pocos a unos cientos de nm

Dominios de cierre

La anisotropía es inferior al campo desimanador

Size

/ E

xch.

leng

th

Quality factor

Quality factor

Transición monodominio-multidominio

Llegado un cierto tamaño,la Emagnetos. del monodominioes demasiado grande

Permalloy elements1x2 microns

Au / Co 1nm / Au

After in-plane HAfter perpendicular H

Size: 20 micronsSize: 1mm

Transición monodominio-multidominio

La estructura de dominios depende de la historia magnética

Conceptos básicos:•Un poco de historia•Energías responsables. •Paredes de dominio, dominios de cierre. •Transición monodominio-multidominio

Técnicas de observación:•Bitter•Microscopía magneto-óptica•Microscopías electrónicas

1. Lorentz2. SEMPA

•Microscopías de barrido1. de fuerzas magnéticas (MFM)2. de efecto túnel polarizado en espín (SP-STM)3. de electrones balísticos (BEMM)

•Con radiación sincrotrón: X-PEEM

Comparativa entre diversas técnicas

Índice

Técnica Bitter

Partículas magnéticas en suspensión coloidal sobre una superficie: se colocan donde hay gradiente de campoSe observan por microscopía óptica

W. Szmaja, in: Advances in Imaging and Electron Physics, Ed. P.W. Hawkes, Vol. 141 (2006) pp. 175-256J. Magn. Magn. Mater. 234 (2001) 13-18

100 nm Co film evaporated at 45º incidence (arrow: atom flux projection)

Técnica Bitter

H=0 Hperp=300 Oe

SaturadoDesimanado

Y2.6Sm0.4Fe3.8Ga1.2O12 garnet

In-plane anisotropy

Perpendicularanisotropy

M

E

θk

εk

θ0

M

Eεk

θk

x

y

z

Polar Longitudinal Transversal

Efecto Kerr Magneto-óptico

ΔR Rotación Kerr θ

Elipticidad Kerr ε

θ0

M

E

polarizer

analyzerNo light

Max. light

Kerr Microscopy

a b

c d

a

b

-100-80 -60-40 -20 0 20 40 60 80 100-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

Mr/M

s

H (Oe)-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

H (Oe)

easyaxis

easyaxis

HiniHap

easyaxis

easyaxis

Hini

Hap

0º 15º

Kerr Microscopy

Lorentz Transmission Electron Microscopy

Se basa en introducir una aberración controlada en la función de transferencia de un TEM. La aberración puede ser:

•el desenfoque (modo Fresnel)

•una apertura en el plano de difracción (modo Foucault)

La Fuerza de Lorentz


Fresnel mode


Foucault mode


En el modo Fresnel vemos Paredes

En el modo Foucault vemos Dominios

Polycrystalline Co nanostructure

Scanning electron microscopy with polarization analysis (SEMPA)

• Contrast due to the spin polarization of secondary electrons emitted from a magnetic sample

•The “scattering target” is a gold thin film (large spin orbit)

•Only suitable for surface analysis (1 nm)

Signal=(Nup-Ndown)/(Nup+Ndown)

sample

scattering target

Ndown detector

Nupdetector

Scanning electron microscopy with polarization analysis (SEMPA)

from Oepen et al., J. Vac. Sci. Techno. B 20, 2535 (2002)

10-100nm

dω <0 → atracción

dω >0 → repulsión

micropalanca

laserfotodiodo

piezoeléctricopunta magnética

( )dd

dd

vibvib

ext2

22z

t+

Qzt

z =Fm

tFm

00

zω

ω ω+ +cos

( )dd

dd

vibvib

2

22z

t Qzt

z Fm

t0+ + =ω

ω ωcos

zF

k2z0

0 ∂∂ωωωω

ext

d −≈−=

1er barrido: AFM

2º barrido: MFM

Modo dinámico con doble barrido

Magnetic Force Microscopy (MFM)

Vemos DOMINIOS

⊕

⊕

⊕

⊕

el contraste es debido a los polos

En el plano

Ej.: disco duro (CoPtCr)

zF

k2z0

∂∂ωω

ext

d −=

AFM: topografía MFM: magnetismoAnisotropía Mag. Esquema (sección)

⊕ ⊕

⊕ ⊕

Perpendicular

Ej.: Co/Pt estructurado

por FIB

Vemos fronteras:PAREDES

Fz = µ0 mpuntadHmuestradz

Dado que


punta:

Hsat

punta:

Hsat

Hsat

2 µm x 0.7 µm espesor: 16 nm

Asimetría aparente en los dominios de cierre

puntapuntaNiFe L = 2 µmespesor: 16 nm

Curvatura aparente de las paredes de dominiosimulacionesmicromagnéticas(color según los

polos)

+ -


Perturbaciones debidas a la punta del microscopio

Spin-polarized STM

The intensity of the tunneling current depends on the relative orientation between themagnetization axes of tip and sample

If tip and sample are magnetic, is necessary to take into account the spin-polarized electronicstructure of both

M. Bode, Rep. Prog. Phys. 66, 523 (2003)

SampleTip

MsMT

Φ

EFEF

High current

(cortesía de Amadeo L. Vázquez de Parga, UAM)

Sample: Mn/Fe(001)

Mn grown at 370 K (<4x10-10mbar)

STM image after depositing 7 ML

140 x 150 nm2

Vs= - 0.5 V I=0.5 nA

6

7

89

9

9

8

8

Body-centered tetragonal (bct)

0.16 nm

0.14 nmFe(001)-whisker

Mn(001) film

4.5

2.5

0.5-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5

dI/d

V [n

A/V

]

Sample voltage [V]

6789

6

7

89

99

8

8

dI/dV curves dI/dV map at +0.2 V

STS measured with clean W tip

Spin-polarized STM

89

10

100 x 100 nm2

Vs= - 0.5V, I=0.5nA

10

11

11

12

Sample voltage [V]-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0

dI/d

V [n

A/V]

0.5

1.5

2.589

1011

dI/dV map at +0.2 V

89

1011

11

10

9

STM image

With the Fe-coated W tip alternating contrast with a clean W tip there is no contrast

Reversed contrast with different Fe-coated W tips due to different tip magnetization

SP-STS on 9 ML Mn/Fe(001)

9

12

dI/dV curves

STS measured at room temperature with Fe-coated W tip

100 x 100 nm2

Spin-polarized STM

I map at V=0.20 V100 x 100 nm2

6.5 ML of Mn/Fe(001)

Fe(001)

Mn

Topography

Measured at room temperature

Spin-polarized STM

Ballistic Electron Magnetic Microscopy (BEMM)

Basada en STM + Magneto-resistencia

2p3/2

2p1/2

EF3d

X-rays

XAS: Convolution of the occupied density of states of the core levels and the unoccupied density of states

element and chemical selectivity;

Metallic and ionic character is easily identified at the absorption edges

X-ray Absorption Spectroscopy, XAS

X-rays Photo Electron Emission Microscopy (X-PEEM)(cortesía de Julio Camarero, UAM)

2p3/2

2p1/2

EF3d

left circular polarisation

right circular polarisation

difference of absorption of x-ray photons of right and left polarisation [Schütz et al PRL 58, 737(1987)],

spin and orbital magnetization of the absorbing atom. [Thole et al. PRL 68, 1943 (1992) ],

element and chemical selectivity; magnetic sensitivity;

700 720 740 760 780 800 820 840 860 880-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

L3L2

L3L2

Hbias= 100 Oe

L2L3

X-MCD

Ni

Co

Fe

right polarisation left polarisation XMCD

Abso

rptio

n in

tensit

y (a

rb. u

.)

Energy (eV)

Fe20Ni80/Cu /Co trilayer film

Element-selective hysteresis measurements at the maximum of the XMCD (L3-edge)

X-ray Magnetic CircularDichroism XMCD

Phys. Rev. Lett. 91, 027201 (2003)

X-rays Photo Electron Emission Microscopy (X-PEEM)

CCD-camera

YAG-screenChannelplate

2. Projective lens

1. Projective lensField apertureStigmator/deflector

Contrast apertureObject lens

Sample stage

• photoelectrons emitted from the sample areprojected on a fluorescent screen by electronlenses.• the intensity of the secondary electronsdepends approximately linearly upon thephotoabsorption intensity:PEEM image XAS intensity distribution

combining PEEM with XMCD, sub-µm resolution and element selectivity can be achieved

When used in XMCD microspectroscopy,PEEM is set to observe the secondaryelectrons emitted as a consequence of theabsorption of soft X-rays.

Since electrons are used for imaging theresolution is no longer-diffraction limitedby the wavelenght of the incoming photons


0 10n 20n 30n 40n 50n 60n

020406080

100120 20 ns width

(a) 3 GOe/s (b) 6 GOe/s (c) 10 GOe/s

Fiel

d (O

e)

time (ns)

after a single ns pulse with different amplitudes spin valve 5nm FeNi/10nm Cu/5nm Co

after a single ms pulse5nm FeNi/8 nm Cu/5nm Co/Si(111)

Fe

Co

layer resolved magnetic properties nucleation regime dominant at high sweep rates

hν

Phys. Rev. B Rapid Comm. 69, 180402 (2004)


10 to 0.2 microns

Comparativa entre técnicas


(cortesía de Agustina Asenjo, ICMM-CSIC)


From “Magnetic Domains”, Hubert & Schaeffer, Springer

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