Dominios magnéticos: conceptos básicos y técnicas de observación · 2016. 6. 4. · Conceptos...
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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
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Un poco de diseño japonés (Otari)…
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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
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Un poco de historia
Existe una imanación local M (T)…
Anomalía en el calor específico
(cortesía de André Thiaville, CNRS)
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Imanación M Campo molecular n M
En presencia de un campo H:
Un poco de historia
(cortesía de André Thiaville, CNRS)
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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
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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
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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
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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
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Dominios de cierre
La anisotropía es inferior al campo desimanador
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Size
/ E
xch.
leng
th
Quality factor
Quality factor
Transición monodominio-multidominio
Llegado un cierto tamaño,la Emagnetos. del monodominioes demasiado grande
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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
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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
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Técnica Bitter
Partículas magnéticas en suspensión coloidal sobre una superficie: se colocan donde hay gradiente de campoSe observan por microscopía óptica
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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
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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
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polarizer
analyzerNo light
Max. light
Kerr Microscopy
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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
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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
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Lorentz Transmission Electron Microscopy
Fresnel mode
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Lorentz Transmission Electron Microscopy
Foucault mode
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Lorentz Transmission Electron Microscopy
En el modo Fresnel vemos Paredes
En el modo Foucault vemos Dominios
Polycrystalline Co nanostructure
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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
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Scanning electron microscopy with polarization analysis (SEMPA)
from Oepen et al., J. Vac. Sci. Techno. B 20, 2535 (2002)
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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)
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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
Magnetic Force Microscopy (MFM)
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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)
+ -
Magnetic Force Microscopy (MFM)
Perturbaciones debidas a la punta del microscopio
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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)
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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
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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
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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
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Ballistic Electron Magnetic Microscopy (BEMM)
Basada en STM + Magneto-resistencia
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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)
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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)
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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
X-rays Photo Electron Emission Microscopy (X-PEEM)
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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)
X-rays Photo Electron Emission Microscopy (X-PEEM)
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10 to 0.2 microns
Comparativa entre técnicas
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Comparativa entre técnicas
(cortesía de Agustina Asenjo, ICMM-CSIC)
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Comparativa entre técnicas
From “Magnetic Domains”, Hubert & Schaeffer, Springer