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3D Nanomagnetic Architectures Investigated by micro-Hall Sensors

Al Mamoori, Mohanad (2021):
3D Nanomagnetic Architectures Investigated by micro-Hall Sensors. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität Darmstadt,
DOI: 10.26083/tuprints-00014568,
[Ph.D. Thesis]

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Al Mamoori_PhD thesis 2020 _TUD_final.pdf
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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: 3D Nanomagnetic Architectures Investigated by micro-Hall Sensors
Language: English
Abstract:

Three-dimensional (3D) magnetic nanostructures open a path for more complex, functional, and novel magnetic properties by allowing the magnetization to orientate itself out of a plane in comparison to two-dimensional (2D) systems. Taking full advantage of the remarkable properties, the possibility of creating complex 3D networks of nanomagnets will very likely trigger the development and emergence of novel spintronics devices such as ultrahigh density memories that store information in three-dimensions. However, 3D nanostructuring is highly challenging and constrained by existing capabilities in standard fabrication and characterization techniques.

Here, an advanced combination of focused electron beam-induced deposition (FEBID) and ultra-sensitive micro-Hall magnetometry based on a home-built GaAs/AlGaAs micro-scaled sensor with a two-dimensional electron gas (2DEG) as an active layer is employed to directly engineer individual CoFe 3D nano-architectures and probe the 3D spin distributions. Their magnetization reversal was investigated by comprehensive measurements in a wide range of temperatures and angles of the applied magnetic field supported by corresponding macrospin and micromagnetic simulations.

Firstly, for 2x2 arrays of nano-trees and nano-cubes, applied field and temperature protocols are employed to probe the effective thermal dynamics, which reveals thermally activated processes originating from their intricate three-dimensional structure. Such findings enhance the basic knowledge about the thermally-activated magnetization dynamics and may open new avenues for research.

Moreover, by investigating the angular dependence of magnetic hysteresis loops supported by macrospin and micromagnetic simulations, it becomes possible to elucidate their overall switching behavior. A highly complex switching process with a vortex-like magnetization distribution across the magnetic elements is observed. Also, advanced hysteresis loop measurements represented by first-order reversal curves (FORCs) display signatures of nonuniform vortex magnetization states.

Secondly, for 2x2 arrays of nano-tetrapods (single-units of intricate diamond lattice) grown in plus and cross arrangements, which was motivated by achieving different dipolar coupling, fine-truing of the applied field angle reveals that the resulting hysteresis loops show a complex step-like switching and development of abrupt jumps around the remanence at higher angles of the applied magnetic field, i.e., close to parallel to the sensor plane. The micromagnetic simulations are in favourable agreement with the experiment and unveil that the switching process is mostly sequential from one shape anisotropy-dominated magnetic element to another and generally proceeds by vortex states nucleation and annihilation scenarios promoting a circular path being initiated at the borders of the elements. Also, some elements reverse their magnetization via the nucleation and propagation of vortex domain wall-like structures. Noticeable differences in the shape of the hysteresis loops are observed for both arrays. This suggests that the source of the variance is likely linked to the dipole-dipole coupling formed between the nearest-neighbour units. With an extensive analysis of FORC diagrams, in particular, characteristic butterfly-like signatures are observed providing strong support for the interpretation of the reversal process by vortex states nucleation and annihilation in nonuniformly magnetized elements.

The work presented in this thesis describes a comprehensive investigation of individual 3D magnetic nanostructures. The insights gained from this study may be of assistance to facilitate the advanced study and exploitation of the rapidly expanding field of 3D nanomagnetism which is imperative for the development of modern computing, sensing, and biological applications.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Dreidimensionale (3D) magnetische Nanostrukturen eröffnen einen Weg für komplexere, funktionale und neuartige magnetische Eigenschaften, indem ein Magnetisierungszustand ermöglicht wird, der im Vergleich zu zweidimensionalen (2D) Systemen außerhalb der Ebene orientiert ist. Unter voller Ausnutzung ihrer bemerkenswerten Eigenschaften wird die Herstellung komplexer 3D-Netzwerke aus Nanomagneten voraussichtlich die Entwicklung und Entstehung neuartiger Spintronik-Bauteile auslösen, wie z.B. Speicher mit ultrahoher Dichte, die Informationen in drei Dimensionen speichern. Die 3D-Nanostrukturierung stellt allerdings eine große Herausforderung dar und wird durch die bestehenden Möglichkeiten der Standard-Herstellungs- und -Charakterisierungstechniken eingeschränkt.

Hier wurde eine fortschrittliche Kombination aus focused electron beam-induced deposition, kurz FEBID und hochempfindlicher Mikro-Hall-Magnetometrie auf der Basis von selbst hergestellten GaAs/AlGaAs-Mikrosensoren mit einem zweidimensionalen Elektronengas (2DEG) als aktiver Schicht eingesetzt, um individuelle CoFe-3D-Nanoarchitekturen direkt aufzubringen und deren magnetisches Streufeld zu untersuchen. Die Magnetisierungsumkehr wurde durch umfassende Messungen in einem weiten Temperaturbereich und für unterschiedliche Winkel des von außen angelegten Magnetfeldes untersucht. Unterstützt werden die Messungen durch entsprechende Makrospin- und mikromagnetische Simulationen.

In einem ersten Experiment wurden für eine 2x2-Anordnung von Nano-Bäumen und Nano-Würfeln zunächst verschiedene Feld- und Temperaturprotokolle angewandt, um die effektive Dynamik zu untersuchen, die thermisch aktivierten Prozessen zu Grunde liegt. Letztere rühen von der komplexen dreidimensionalen Struktur her. Diese Beobachtungen erweitern das grundlegenede Verständnis der thermisch aktivierten Magnetisierungsdynamik und könnten neue Wege für die Forschung eröffnen. Darüber hinaus wird es durch die Untersuchung der Winkelabhängigkeit der magnetischen Hystereseschleifen, unterstützt durch Makrospin- und mikromagnetische Simulationen, möglich, das Umschaltverhalten der Magnetisierung im Detail zu untersuchen. Es werden hochkomplexe Schaltprozesse mit wirbelartigen Magnetisierungsverteilungen über die magnetischen Elemente beobachtet. Außerdem zeigen weiterführende Hystereseschleifenmessungen, die durch Umkehrkurven erster Ordnung (first-order reversal curves, kurz FORC) dargestellt werden, Signaturen von inhomogenen Wirbelmagnetisierungszuständen.

In einem zweiten Experiment wurde eine 2x2-Anordnung von Nano-Tetrapoden (Einzelelemente eines Diamantgitters), die in Plus- und Kreuzanordnungen aufgewachsen wurden, untersucht. Hier lag die Motivation in der Erzielung unterschiedlicher dipolarer Kopplungen. In der Tat weisen die Hystereseschleifen ein durch die Feineinstellung des angelegten Feldwinkels verursachtes komplexes, stufenartiges Schalten und die Entwicklung von abrupten Sprüngen um die Remanenz bei höheren Winkeln des angelegten Magnetfeldes, d.h. nahezu parallel zur Sensorebene, auf. Die mikromagnetischen Simulationen stimmen gut mit dem Experiment überein und offenbaren, dass die Umschaltprozesse meist sequentiell von einem durch die Formanisotropie dominierten magnetischen Element zu einem anderen verlaufen und im Allgemeinen durch die Nukleation und Annihilation von Wirbelzuständen erklärt werden können, ausgehend von den Rändern und Endkappen der Elemente. Außerdem kehren einige Elemente ihre Magnetisierung über die Nukleation und Ausbreitung von Wirbeldomänenwand-ähnlichen Strukturen um. Bemerkenswerte Unterschiede in der Form der Hystereseschleifen werden für beide Anordnungen beobachtet. Diese Ergebnisse müssen daher mit Vorsicht interpretiert werden, da die Ursache der Abweichung zusätzlich zu den magnetischen Anisotropieeffekten mit der Dipol-Dipol-Kopplung zusammenhängen könnte, die sich zwischen den nächsten Nachbarn bildet. Darüber hinaus werden bei einer umfangreichen Analyse der FORC-Diagramme insbesondere charakteristische Schmetterlings-ähnliche Signaturen beobachtet, die die Interpretation des Umkehrprozesses durch die Nukleation und Annihilation von Wirbelzuständen in ungleichmäßig magnetisierten Elementen unterstützen.

Die vorgestellte Arbeit beinhaltet eine umfassende Untersuchung von einzelnen magnetischen 3D-Nanostrukturen. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse können dazu beitragen, die Erforschung und Nutzung des schnell wachsenden Gebietes des 3D-Nanomagnetismus zu erleichtern, das für die Entwicklung moderner Computer-, Sensor- und biologischer Anwendungen vielversprechend ist.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: X, II, 168 Seiten
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science
Date Deposited: 10 Feb 2021 12:13
Last Modified: 10 Feb 2021 12:13
DOI: 10.26083/tuprints-00014568
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-145683
Referees: Müller, Prof. Dr. Jens and Alff, Prof. Dr. Lambert
Refereed: 17 November 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/14568
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