Dominios magnéticos: conceptos básicos y técnicas de observación

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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:

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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. Lorentz 2. SEMPA •Microscopías de barrido 1. 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

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Un poco de historia

Existe una imanación local M (T)…

Anomalía en el calor específico

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Imanación M Campo molecular n M En presencia de un campo H:

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…Pero no hay imanación M

sin aplicar un campo H

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

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…Pero no hay imanación M

sin 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 espines según campo aplicado magnetostática

Magnetostática: quiere cierre de flujo o muchos 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~10}2_-106 _J/m3_:

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Dominios de cierre

La anisotropía es inferior al campo desimanador

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S iz e / E xc h. le ngth Quality factor Quality factor Transición monodominio-multidominio

Llegado un cierto tamaño,

la Emagnetos. del monodominio es demasiado grande

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Permalloy elements 1x2 microns Au / Co 1nm / Au After in-plane H After perpendicular H Size: 20 microns Size: 1mm Transición monodominio-multidominio

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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. Lorentz 2. SEMPA •Microscopías de barrido 1. 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

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Técnica Bitter

Partículas magnéticas en suspensión coloidal sobre una superficie: se colocan donde hay gradiente de campo

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W. Szmaja, in: Advances in Imaging and Electron Physics, Ed. P.W. Hawkes, Vol. 141 (2006) pp. 175-256 J. 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 Saturado Desimanado Y_2.6Sm_0.4Fe_3.8Ga_1.2O₁₂garnet In-plane anisotropy Perpendicular anisotropy

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M E θk εk θ0 M E εk 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

analyzer

No light Max. light

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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) easy axis easy axis Hini Hap easy axis easy axis 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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En el modo Fresnel vemos Paredes

En el modo Foucault vemos Dominios

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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=(N_up-N_down)/(N_up+N_down) sample scattering target N_down detector N_up detector

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Scanning electron microscopy with polarization analysis (SEMPA)

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10-100nm dω <0 → atracción dω >0 → repulsión micropalanca laser fotodiodo piezoeléctrico punta magnética

(

)

d d d d vib vib ext 2 2 2 z t + Q z t z = F m t F m 0 0 z ω ω ω + _cos +

(

)

d d d d vib vib 2 2 2 z t Q z t z F m t 0 + ω + ω = cos ω z F k 2 z 0 0 ∂ ∂ ω ω ω ω 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) z F k 2 z 0 ∂ ∂ ω ω ext d = −

AFM: topografía MFM: magnetismo

Anisotropía Mag. Esquema (sección)

⊕

Perpendicular Ej.: Co/Pt estructurado por FIB Vemos fronteras: PAREDES F_z = µ₀m_punta dHmuestra dz Dado que

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punta: H_sat punta: H_sat H_sat 2 µm x 0.7 µm espesor: 16 nm

Asimetría aparente en los dominios de cierre

punta punta

NiFe L = 2 µm

espesor: 16 nm

Curvatura aparente de las paredes de dominio

simulaciones micromagnéticas

(color según los polos)

+

-Magnetic Force Microscopy (MFM)

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Spin-polarized STM

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

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

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

Sample

Tip

M

_s

M

_T Φ

E

_F

E

_F

High current

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Sample: Mn/Fe(001)

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

STM image after depositing 7 ML

140 x 150 nm2 V_s= - 0.5 V I=0.5 nA 6 7 8 9 9 9 8 8 Body-centered tetragonal (bct) 0.16 nm 0.14 nm Fe(001)-whisker Mn(001) film 4.5 2.5 0.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 dI /dV [ nA /V ] Sample voltage [V] 6 7 8 9 6 7 8 9 9 9 8 8 dI/dV curves dI/dV map at +0.2 V

STS measured with clean W tip

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8 9 10 100 x 100 nm2 V_s= - 0.5V, I=0.5nA 10 11 11 12 Sample voltage [V] -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 dI /dV [n A /V ] 0.5 1.5 2.5 8 9 10 11 dI/dV map at +0.2 V 8 9 10 11 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

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I map at V=0.20 V 100 x 100 nm2 6.5 ML of Mn/Fe(001) Fe(001) Mn

Topography

Measured at room temperature

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Ballistic Electron Magnetic Microscopy (BEMM)

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2p_3/2 2p_1/2 E_F

3d

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)

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2p_3/2 2p_1/2 E_F 3d 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 L₃ L2 L₃ L2 H_bias= 100 Oe L₂ L₃ X -MC D Ni Co Fe right polarisation left polarisation XMCD A bs or pt ion i nt ens it y ( ar b. 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)

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CCD-camera YAG-screen Channelplate 2. Projective lens 1. Projective lens Field aperture Stigmator/deflector Contrast aperture Object lens Sample stage

• photoelectrons emitted from the sample are projected on a fluorescent screen by electron lenses.

• the intensity of the secondary electrons depends approximately linearly upon the photoabsorption 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 secondary electrons emitted as a consequence of the absorption of soft X-rays.

Since electrons are used for imaging the resolution is no longer-diffraction limited by the wavelenght of the incoming photons

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0 10n 20n 30n 40n 50n 60n 0 20 40 60 80 100 120 _{20 ns width} (a) 3 GOe/s (b) 6 GOe/s (c) 10 GOe/s F ie ld ( Oe ) time (ns)

after a single ns pulse with different amplitudes

spin valve 5nm FeNi/10nm Cu/5nm Co

after a single ms pulse

5nm 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)

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10 to 0.2 microns

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Comparativa entre técnicas

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Comparativa entre técnicas