Lichtinduzierte magnetische Defekte in ultradünnen Filmen
Light-induced Magnetic Defects in Ultra-Thin Films
by Tim Eggebrecht
Date of Examination:2018-01-22
Date of issue:2018-02-09
Advisor:Prof. Dr. Konrad Samwer
Referee:Prof. Dr. Konrad Samwer
Referee:Prof. Dr. Sascha Schäfer
Referee:Prof. Dr. Claus Ropers
Referee:Prof. Dr. Markus Münzenberg
Referee:Prof. Dr. Vasily Moshnyaga
Referee:Prof. Dr. Hans Christian Hofsäss
Persistent Address:
http://dx.doi.org/10.53846/goediss-6708
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Abstract
English
Topological defects such as domain walls, vortices or skyrmions in magnetic layers, exhibit promising properties which make them especially interesting for future applications in information technology. This work examines the generation and manipulation of magnetic defects with focus on vortex-antivortex textures by optical excitation with high-energy femtosecond pulses. The magnetic textures are imaged after single pulses via Lorentz mode in a transmission electron microscope modified for in situ excitation. Here, two different ferromagnetic systems - iron and cobalt iron boron - are investigated as homogeneous thin films on silicon nitride membranes. Measurements are also made on the CoFeB samples after they have been microstructured using focused ion beam techniques to produce different defect textures by shape anisotropy. The objectives of this work are to show that magnetic defects in general and vortex-antivortex networks in particular, can be induced by single pulses in thin-film systems of specific geometry and underlying processes can be explained by the Kibble-Zurek mechanism. For this purpose, magnetizations of the films are reconstructed on the basis of the Lorentz micrographs, and defects are qualitatively and quantitatively analyzed. In order to substantiate the postulated mechanisms, simulations of a thermal model of the same sample geometry on ultrashort time scales are presented as well as XY models simulated and statistically evaluated.
Keywords: vortex-antivortex network; vortex-antivortex texture; vortices; Lorentz microscopy; Transmission electron microscopy; Kibble-Zurek mechanism; topological defects; femtosecond pulses; light-induced magnetic defects; light-induced texture; ultra-thin films; magnetic films; ferromagnetic films
German
Topologische Defekte wie Domänenwände, Vortices oder Skyrmionen in magnetischen Schichten weisen vielversprechende Eigenschaften auf, welche sie vor allem für zukünftige Anwendungen in der Informationstechnik interessant machen. Diese Arbeit behandelt die Erzeugung und Manipulation von magnetischen Defekten mit Fokus auf Vortex-Antivortex-Texturen durch optische Anregung mit hochenergetischen Femtosekundenlaserpulsen. Dabei werden die magnetischen Texturen nach Einzelpulsen mittels Lorentz-Modus in einem für In-situ-Anregung modifizierten Transmissionselektronenmikroskop abgebildet. Hier werden zwei unterschiedliche ferromagnetische Materialsysteme - Eisen und Cobalt-Eisen-Bor - als homogene Dünnschichten auf Siliziumnitridmembranen untersucht. An den CoFeB-Proben werden darüber hinaus Messungen durchgeführt, nachdem sie mithilfe der Ionenfeinstrahltechnik mikrostrukturiert wurden, um durch Formanisotropie verschiedene Defekttexturen hervorzurufen. Die Ziele dieser Arbeit sind es zu zeigen, dass magnetische Defekte allgemein und Vortex-Antivortex-Netzwerke im Speziellen durch Einzelpulse in Dünnschichtsystemen bestimmter Geometrie induziert werden können und sich dahinterstehende Prozesse über den Kibble-Zurek-Mechanismus begründen lassen. Dafür werden die Magnetisierungen der Filme anhand der Lorentz-Aufnahmen rekonstruiert und Defekte qualitativ sowie quantitativ analysiert. Um die postulierten Mechanismen zu untermauern, werden zusätzlich Simulationen eines thermischen Modells gleicher Probengeometrie auf ultrakurzen Zeitskalen vorgestellt als auch XY-Modelle simuliert und statistisch ausgewertet.
Schlagwörter: Vortex-Antivortex-Netzwerk; Vortex-Antivortex-Textur; Vortices; Lorentz-Mikroskopie; Transmissionselektronenmikroskopie; Kibble-Zurek-Mechanismus; topologische Defekte; Femtosekundenpulse; lichtinduzierte magnetische Defekte; lichtinduzierte Textur; ultradünne Filme; magnetische Filme; ferromagnetische Filme
