Magnetization and magnetotransport processes in arrays of NiFe / Cu multilayered nanowires

Abstract

Multilayer magnetic nanowires are being studied for about 20 years. The interest for them is not only from a fundamental point of view, but also from a technological one. Multilayered nanowires provide the opportunity to tune their magnetic properties by tailoring different parameters influencing their macroscopic behavior. Initially it was investigated the capability to adjust the orientation of the magnetization easy axis for an array of multilayered NiFe/Cu nanowires by changing the aspect ratio of the magnetic and non-magnetic layers. This was achieved by correlating the experimental results with calculations based on an existing magnetostatic model. The magnetic hysteresis loops are measured for arrays of multilayered NiFe/Cu nanowires using a vibrating sample magnetometer (VSM). It was shown that the magnetostatic coupling between adjacent ferromagnetic layers have strong influence on the magnetic behavior of arrays of multilayered nanowires, and their magnetization orientation can be determined with high accuracy by tuning the aspect ratio of the magnetic and non-magnetic layers. Additionally, there were proposed two functions for the calculation of the saturation field for arrays of multilayered nanowires with applied field parallel and perpendicular to the nanowires’ axis, respectively. The theoretical results were in accordance with the experimental values. Furthermore, the magnetization reversal mechanism for arrays of NiFe/Cu nanowires was studied. The magnetization reversal mechanism can be determined experimentally from the angular dependence of the coercivity. Therefore, the magnetic hysteresis loops of the NiFe/Cu nanowires arrays was recorded for various angles θ between the applied field and the nanowires’ axis, using a VSM system. It was shown that the reversal mechanism is strongly dependent on the NiFe and the Cu layers thickness. Additionally, three functions were proposed for the calculation of the coercive field (Hc) for multilayer nanowires. The calculated results were in good agreement with the experimental ones even for thin NiFe layers. It was also evaluated in what extend the hysteresis loop and the magnetic properties of multilayer nanowires can be reproduced by three-dimensional micromagnetic simulations. There was quite good agreement between the simulations and the experimental results about the coercivity values. Moreover, micromagnetic simulations showed that coercivity increases rapidly as the number of the ferromagnetic layers increases up to the number of four layers. Above that number coercivity increases with very small pace. Moreover, micromagnetic simulations showed that coercivity is reduced when the number of nanowires composing an array is increased. In the last part of the PhD work it was studied the magnetoresistance (MR), and the spin transfer torque (STT) phenomena for two different structures of multilayer nanowires, with diameter down to 35 nm. It was shown that multilayer nanowires fabricated with electrochemical deposition with diameter as small as 35 nm, constitute appropriate systems for magnetotransport measurements. Also, it was shown the strong influence of the Cu layer thickness on the magnetotransport measurements. Additionally, there was essential variation of the STT measurements depending on the applied field, and the increasing current step.

Τα πολυστρωματικά μαγνητικά νανοσύρματα μελετώνται για περίπου είκοσι χρόνια. Το ενδιαφέρον για αυτά δεν είναι μόνο από επιστημονικής απόψεως, αλλά και από τεχνολογικής. Τα πολυστρωματικά νανοσύρματα παρέχουν την δυνατότητα ρύθμισης των μαγνητικών τους ιδιοτήτων προσαρμόζοντας διάφορες παραμέτρους οι οποίες επηρεάζουν τη μακροσκοπική τους συμπεριφορά. Αρχικά διερευνήθηκε η δυνατότητα προσαρμογής της κατεύθυνσης του προτιμητέου άξονα μαγνήτισης σε μια διάταξη πολυστρωματικών NiFe/Cu νανοσυρμάτων, μεταβάλλοντας την αναλογία πάχους των μαγνητικών και των μη μαγνητικών στρωμάτων. Αυτό επιτεύχθηκε συσχετίζοντας τα πειραματικά αποτελέσματα με υπολογισμούς που βασίζονται σε υπάρχον μαγνητοστατικό μοντέλο. Οι μαγνητικοί βρόγχοι υστέρησης διατάξεων από πολυστρωματικά NiFe/Cu νανοσύρματα μετρήθηκαν κάνοντας χρήση του μαγνητόμετρου ταλαντούμενου δείγματος (VSM). Η μαγνητοστατική σύζευξη μεταξύ διαδοχικών φερρομαγνητικών στρωμάτων φάνηκε να έχει ισχυρή επίδραση στη μαγνητική συμπεριφορά διατάξεων πολυστρωματικών νανοσυρμάτων, και η κατεύθυνση της μαγνήτισης τους μπορεί να καθοριστεί με μεγάλη ακρίβεια ρυθμίζοντας την αναλογία των μαγνητικών και μη μαγνητικών στρωμάτων. Επιπρόσθετα προτάθηκαν δύο συναρτήσεις για τον υπολογισμό του πεδίου κορεσμού διατάξεων πολυστρωματικών νανοσυρμάτων για εφαρμοζόμενο μαγνητικό πεδίο παράλληλα και κάθετα στον άξονα των νανοσυρμάτων, αντίστοιχα. Τα θεωρητικά αποτελέσματα ήταν σε συμφωνία με τα πειραματικά αποτελέσματα. Επιπλέον μελετήθηκε ο μηχανισμός αντιστροφής της μαγνήτισης για διατάξεις πολυστρωματικών NiFe/Cu νανοσυρμάτων. Ο μηχανισμός αντιστροφής της μαγνήτισης μπορεί να προσδιοριστεί πειραματικά από την γεωμετρική εξάρτιση της απομαγνήτισης. Για το λόγο αυτό καταγράφηκε ο βρόχος μαγνητικής υστέρησης διατάξεων NiFe/Cu νανοσυρμάτων, για διάφορες γωνίες θ μεταξύ του εφαρμοζόμενου μαγνητικού πεδίου και του άξονα των νανοσυρμάτων, χρησιμοποιώντας τη διάταξη VSM. Φάνηκε ότι ο μηχανισμός αντιστροφής είναι ισχυρά εξαρτώμενος από το πάχος των NiFe και Cu στρωμάτων. Επιπρόσθετα, προτάθηκαν τρεις συναρτήσεις για τον υπολογισμό του πεδίου απομαγνήτισης (Hc) για πολυστρωματικά νανοσύρματα. Τα υπολογισμένα αποτελέσματα ήταν σε καλή συμφωνία με τα πειραματικά αποτελέσματα ακόμα και για λεπτά NiFe στρώματα. Επίσης εκτιμήθηκε σε τι βαθμό, ο υστερετικός βρόχος και οι μαγνητικές ιδιότητες των πολυστρωματικών νανοσυρμάτων μπορούν να αναπαραχθούν από μικρομαγνητικές προσομοιώσεις τριών διαστάσεων. Υπήρξε αρκετά καλή συμφωνία μεταξύ των προσομοιώσεων και των πειραματικών αποτελεσμάτων σχετικά με τις τιμές απομαγνήτισης. Επιπλέον οι μικρομαγνητικές προσομοιώσεις έδειξαν ότι η απομαγνήτιση αυξάνεται ταχύτατα καθώς ο αριθμός των φερομαγνητικών στρωμάτων αυξάνεται μέχρι των αριθμό των τεσσάρων στρωμάτων. Πάνω από αυτόν τον αριθμό η απομαγνήτιση αυξάνεται με πολύ μικρό ρυθμό. Επιπρόσθετα οι μικρομαγνητικές προσομοιώσεις έδειξαν ότι η απομαγνήτιση μειώνεται όταν ο αριθμός των νανοσυρμάτων που συνθέτουν μία διάταξη αυξάνεται. Στο τελευταίο κομμάτι της διδακτορικής διατριβής μελετήθηκαν τα φαινόμενα της μαγνητοαντίστασης (MR) και της ϱοπής μεταφοράς ιδιοστροφορμής (STT) για δύο διαφορετικές δομές πολυστρωματικών νανοσυρμάτων, με διάμετρο έως και 35 nm. Φάνηκε ότι τα πολυστρωματικά νανοσύρματα παρασκευασμένα με ηλεκτροχημική εναπόθεση, με μικρή διάμετρο έως και 35 nm, αποτελούν κατάλληλες δομές για μετρήσεις μαγνητοδιέλευσης. Επίσης φάνηκε η ισχυρή επίδραση του πάχους του Cu στρώματος στις μετρήσεις μαγνητοδιέλευσης. Επιπρόσθετα υπήρξε σημαντική μεταβολή στις STT μετρήσεις ανάλογα με το εφαρμοζόμενο πεδίο, καθώς και το βήμα αύξησης του ρεύματος.